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换热表面纳米流体颗粒污垢沉积特性研究

王景涛  
【摘要】:纳米流体作为一种具有较高传热系数的新型换热介质,在强化传热领域具有十分广阔的应用前景和潜在的重大经济价值,但其能否长时间保持较好的传热性能,是否会在换热壁面沉积而降低传热性能是其能否被广泛应用的关键因素。因此,研究纳米流体在换热面上的沉积特性及沉积对传热效果的影响已势在必行。为此,本文以纳米颗粒悬浮液和纳米流体为研究对象,开展了纳米颗粒悬浮液及纳米流体在换热壁面沉积特性的实验研究,此外,通过分子动力学模拟跟踪微观粒子运动轨迹及统计粒子间受力,揭示颗粒团聚及沉积行为的影响机理。首先,以γ-Al_2O_3纳米颗粒悬浮液为研究对象,在环形可视在线监测实验台上,通过改变热流密度、入口温度、颗粒浓度和质量流量实验研究了纳米颗粒悬浮液在单相和过冷流动沸腾状态下颗粒的团聚及在换热表面的沉积特性。结果表明,热流密度对单相和过冷流动沸腾状态下污垢特性的影响规律相反,在两种状态之间存在着污垢热阻值最小的工况条件。在单相状态下,随着工质入口温度的升高,污垢热阻渐近值明显减小;在过冷流动沸腾状态下入口温度的影响不大。浓度和质量流量对两种状态下颗粒沉积特性的影响有着相同的规律,污垢热阻渐近值随着浓度的增大而增大,随着质量流量的增大而减小。其次,通过两步法制备稳定性好的γ-Al_2O_3纳米流体,在环形可视在线监测实验台上,通过改变热流密度、质量流量、入口温度、表面活性剂类型和纳米颗粒种类等参数实验研究了纳米流体在换热壁面沉积特性,并比较结垢前后传热系数的变化。结果表明,在单相强制对流状态下,γ-Al_2O_3纳米流体作为循环工质在单相状态下的前20小时内可以保持较好的传热性能,不易在换热壁面沉积。在两种状态下污垢热阻渐近值均随着热流密度的升高而增大,并随着入口温度的升高而增大,适当热流密度和入口温度的选择对结垢后传热性能的影响至关重要。质量流量对污垢特性和传热特性有着相同的影响规律,较大的质量流量可以减小污垢热阻并提高传热性能。不同类别表面活性剂制备的纳米流体和不同种类纳米颗粒制备的纳米流体的沉积特性在某些工况下会出现明显差异性,所以选择适合的表面活性剂并针对不同换热状态选择适合的纳米流体类型可以减少颗粒在换热壁面的沉积。最后,针对实验得出的纳米颗粒团聚及沉积特性的影响因素,采用分子动力学模拟方法,模拟研究了纳米流体中颗粒团聚受温度影响的特性,以及颗粒粒径、壁温及流速等因素对颗粒在换热表面沉积特性的影响。通过跟踪微观粒子运动轨迹及微团簇结构变化并统计粒子间受力与微观粒子间能量传递,从微观角度解释颗粒的团聚及沉积特性的影响规律。结果表明,颗粒的碰撞和团聚均随着流体温度的升高而加快,粒径较大的颗粒与壁面发生初次碰撞的时间较长,粒径较小的颗粒更容易与壁面发生碰撞而沉积。颗粒有从高温壁面向低温壁面运动的趋势,壁面温差越大,这种趋势越明显。颗粒沉积于壁面受流速影响很大,随着流速的增大,颗粒越难沉积于壁面,只在流体内部团聚。模拟结果与实验得到的沉积特性规律相一致。


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