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应用于热管的纳米流体热物性参数的研究

管延祥  
【摘要】:随着纳米科技的快速发展,纳米材料已被应用到传热领域中,孕育而生了“纳米流体”的概念。纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属、非金属或聚合物固体粒子以构成一种新型的传热工质,这种新传热工质可用于换热设备中替代传统的工质。热管作为换热设备中的一种高效传热元件,将纳米流体应用于其中可显著改善传热性能。因此,对应用于热管的纳米流体热物性参数的研究是将纳米技术应用于热能工程的创新性研究,具有重要的工程应用价值。 本文以Al_2O_3-水纳米流体作为热管的工作介质,通过测试其各种热物性参数,来研究Al_2O_3纳米颗粒的加入如何改变工作介质的热物性参数以及对热管传热能力的影响。其主要研究内容为: 首先,通过透射电子显微镜、X射线衍射仪对Al_2O_3纳米颗粒进行了表征,采用两步法制备了两种粒径(40nm、65nm)、五种体积分数(0.1%~0.5%)的Al_2O_3-水纳米流体。为了制备悬浮稳定的纳米流体,采用L9(3~4)正交试验进行分析,得出了最佳工艺参数为:pH值为8、超声振动时间为3h、不添加分散剂、磁力搅拌时间为30min。并通过Zeta电位分析仪、激光粒度分析仪等分析了超声振动时间、分散剂、pH值等对Al_2O_3-水纳米流体悬浮稳定性的影响,得出:pH值为8、超声振动时间为3h、分散剂添加量为0.02%时,Al_2O_3-水纳米流体的悬浮稳定性最好。并对其悬浮稳定性作用机理进行了一定的理论分析。 其次,采用旋转粘度计、全自动界面张力仪、KD 2 Pro导热系数仪、热重差热联用仪等仪器对Al_2O_3-水纳米流体在不同条件下的粘度、表面张力系数、导热系数、热重、汽化潜热、密度、沸点等热物性参数进行了测量,结果发现:Al_2O_3-水纳米流体的粘度随着纳米颗粒体积分数的增加而增加,随着温度的升高而减小,随着颗粒尺寸的减小而增大;Al_2O_3-水纳米流体的表面张力系数随着体积分数的增加而减小,随着颗粒粒径的减小而减小,随着温度的升高而减小;Al_2O_3-水纳米流体的导热系数随着体积分数的增加而增加,随着颗粒粒径的减小而增大,随着温度的升高而增大;Al_2O_3-水纳米流体的相变速率随着颗粒体积分数的增加而增大,而颗粒粒径对其基本没影响;Al_2O_3-水纳米流体的汽化潜热随着颗粒体积分数的增加而减小;Al_2O_3-水纳米流体的密度随着颗粒体积分数的增加而增大;Al_2O_3-水纳米流体的沸点随着颗粒体积分数的增加而减小。并对各热物性参数的作用机理进行了一定的理论分析。 最后,分析了应用于热管的Al_2O_3-水纳米流体工作介质的综合热物理性质。结果表明Al_2O_3-水纳米流体具有较好的综合热物理性质,适合做热管的工作介质;与水相比,其传输因素提高了3.2%~14.9%,具有较好的传热性能。


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