氧化硅纳米流体的导热性能研究.pdf

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1、第37卷第4期化工机械405氧化硅纳米流体的导热性能研究+李金凯料赵蔚琳刘宗明韩亚东(济南大学)摘要采用瞬态热线法测量SiO：一水和SiO：一乙二醇两种纳米流体在不同体积分数和温度下的导热系数，分析研究纳米SiO，体积含量、温度及悬浮稳定性对纳米流体导热系数的影响。研究结果表明，纳米流体的导热系数显著高于基体液体的导热系数。且随着粒子体积分数的增大和温度的升高均有所提高；对于悬浮稳定性越好的纳米流体，它的导热系数增加量越大。关键词热交换设备氧化硅纳米流体导热系数瞬态热线法中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编

2、号0254-6094(2010)04-0405-05随着热交换设备的传热负荷和传热强度日益增大，对热交换设备的高效、低阻以及紧凑性好等指标的要求也越来越高。传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热和冷却要求。另外，低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍，必须从换热工质本身人手研制导热系数高和传热性能好的新型换热工质。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi¨1首先提出了一种新型传热工质——纳米流体，这种纳米流体就是将纳米级金属或非金属氧化物粒子以一定的方式和比例添加到液

3、体中，形成的稳定悬浮液，它与毫米、微米级纳米粒子悬浮液相比具有更高的悬浮稳定性，且导热系数高于基体液体的导热系数。为了探索纳米流体在强化传热方面的潜在应用前景，国内外许多研究者已经对纳米流体的导热性能做了大量的研究工作，主要集中在金属、金属氧化物、碳纳米管和合成物等纳米流体导热性能的研究旧Jo，对非金属氧化物纳米流体导热性能的研究比较少。为此，笔者采用瞬态热线法测量SiO：一水和SiO：一乙二醇两种纳米流体在不同体积分数(0．1％一0．5％)、不同温度(25—50℃)下的导热系数，分析研究纳米SiO：体积含量、温

4、度和悬浮稳定性对纳米流体导热系数的影响。1纳米流体导热性能实验1．1实验原理瞬态热线法作为测量液体导热系数最准确的方法已被广泛的采用，其测量原理是一根无限长的、垂直的具有无限大导热系数和热容量为零的线源竖直插入液体中，液体和线源在初始时刻处于热平衡，平衡温度为瓦，当给线源加恒定的热流q时，热量可全部从线源传递给液体。如果定义距离线源r处的液体温升为△r(r，f)，其表达式H1为：At(ro，牡煮ln(筹)(1)式中a——扩散常数；后——导热系数；q——单位长度铂丝的发热量；r0——线源半径；r——温度；￡——时间

5、；C——欧拉常数。式(1)的适用条件是(r2／4础)《1，并对式(1)两边进行微分得：枉4q--竹_／志(2)％山东省自然科学基金(Y2007F28)资助和济南市高校院所自主创新计划(200906048)资助。·t李金凯，男，1985年12月生，硕士研究生。山东省济南市，250022。406化工机械2010正式(2)就是瞬态热线法的基本方程式。如果获得了AT对Int曲线的斜率，就可以确定纳米流体的导热系数。1．2实验装置笔者设计的瞬态热线测试单元如图1所示，选用一根长度为125mm、直径为501_Lm的铂丝作为热

6、丝，铂丝的表面涂抹环氧树脂漆。将铂丝的两端分别焊接在粗铜导线上，然后将铂丝插入直径为20ram盛有被测液体样品的玻璃管中，玻璃管固定在恒温水浴槽中以保持恒温，此时的铂丝既作为加热源又作为测温元件。导线图1瞬态热线法测量单元图2所示的是用于测量氧化硅纳米流体导热系数的装置流程，图中R。为热线的电阻，由铂丝制成，尺，为1电位计的电阻，R：为1kQ的电阻，R，为15Q的电阻，尺。为稳定电源用的可调电阻。调节尺，可抵消来自惠斯通电桥的偏差电压。为了保证桥路通电与数据采集的同步性，采用HH52P继电器来切换电路。实验中采用

7、RigolDM3062数字万用表来采集数据，采集频率为每秒10次。通过电压随时间的变化，得到铂丝温度随时间的变化，进而由式(2)得到纳米流体的导热系数。在该实验系统测量之前，对其进行校验，首先测量了水和乙二醇的导热系数。校验结果显示该实验系统的测量精度在3％以内，具有较好的精确度。图2测量导热系数的装置流程示意图2测量结果与分析采用两步法制备纳米流体，将SiO：(30hm)纳米粉体分别添加到水和乙二醇中经磁力搅拌，再进行超声振动得到均匀稳定的纳米流体。本实验过程中分别制备了0．1％、0．2％、0．3％、0．4％、

8、0．5％5种体积分数的Si02-水和SiO：-乙二醇纳米流体，测量了纳米流体在不同温度(25—50℃)下的导热系数，并分析纳米粒子体积分数和温度等因素对纳米流体导热系数的影响。2．1纳米粒子体积分数对纳米流体导热系数的影响图3和图4分别给出25℃时两种纳米流体的导热系数及其与基体液体的导热系数比随体积分数的变化情况。从图3、4可看出，在纯液体中加入少量的纳米粒子可显著增加