两亲性纳米流体太阳能重力热管传热性能研究

针对石墨烯/水纳米流体的分散不稳定问题,采用化学方法制备了不含表面活性剂的改性石墨烯/水两亲性纳米流体,研究了以改性石墨烯/水两亲性纳米流体为工质的太阳重力热管在不同加热功率、安装角度和浓度下的热性能。结果表明,与去离子水相比,两亲性纳米流体可以降低热管的启动温度。在实验加热功率范围内,当加热功率相对较小时,两亲性纳米流体热管的热阻明显低于去离子水;随着加热功率的增加,热阻差异可以忽略。当安装角度相对较小时,其对蒸发段传热能力影响较大。当加热功率为20 W,纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时,蒸发段传热系数下降了54.7%;当加热功率为40 W,纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时,蒸发段传热系数下降了48.9%。     

片状二氧化钛纳米颗粒对热管及热管散热器工作性能的影响

利用水热法制备片状二氧化钛纳米颗粒,两步法制备片状二氧化钛/水纳米流体。制作了外径为6mm和长度为200mm的充有片状二氧化钛/水纳米流体热管,组装了一个具有2根热管和20片翅片的热管散热器,探讨了片状二氧化钛纳米颗粒对热管及其散热器工作性能的影响。结果发现二氧化钛纳米流体热管的温差明显地小于水热管的。在加热系统温度为50～80℃范围内,片状二氧化钛纳米流体热管的热阻比水热管热阻降低了14.0%～35.9%。考察热管散热器发现片状二氧化钛/水纳米流体热管散热器的翅片表面温度高于水热管翅片上的表面温度,末端翅片散热量比水热管翅片散热量增强31.3%～46.6%。     

基于纳米增强相变材料的铜-水热管传热性能分析

基于磁力搅拌和超声振荡处理工艺制备了含有不同质量分数纳米氧化铝颗粒的月桂酸固体悬浮液,并测试其热导率。利用相变材料与普通热管绝热段的耦合方式,通过测量不同加热模式下热管各部分的温度,对热管的性能进行分析。结果表明：月桂酸包裹在热管绝热段周围时,可有效降低蒸发段的温度。加入适量浓度的金属氧化物纳米颗粒后,其导热能力得到强化。热管的冷却性能随着月桂酸中氧化铝纳米颗粒浓度增长,先增长后降低,质量分数1.0%为最佳浓度。相比纯月桂酸与普通热管的耦合模块,加入1.0%的氧化铝颗粒可降低10%的蒸发段温度,降低60%的风机能耗,可在加热期间存储27%的热能。     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

碳纳米管悬浮液在重力热管中的沸腾特性

为研究纳米流体的沸腾传热效果,进行了以碳纳米管充装的重力热管的沸腾特性实验.以碳纳米管悬浮液为工质的重力热管的起沸温度、温度漂移及蒸发段管壁温度比水工质热管的高,热管的热阻增大,换热性能恶化.通过测定,水中添加碳纳米管颗粒后悬浮液的表面张力增大,使得加热壁面的活化成核点密度、数量、脱离频率、气泡体积、气泡间聚合能力发生改变,气液界面处的温度梯度和浓度梯度引发Marangoni流动,易蒸发组分水在界面处的蒸发产生质扩散效应.几种因素的共同作用使热管蒸发段管壁和热管的启动温度上升,热阻增大,热管的传热性能恶化.     

SiO_2-水纳米流体热管传热性能的实验研究

采用两步法制备颗粒粒径为15nm,体积分数分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、1.0%、2.0%的SiO2-水纳米流体,并对该纳米流体作为工作介质的热管进行了传热性能实验研究。结果表明:SiO2-水纳米流体的热管具有良好的等温性能,传热性能明显高于水热管的传热性能(提高了1.35～1.70倍),热阻明显低于水热管的热阻(降低了0.58～0.74)。     

氧化石墨烯重力热管传热性能研究

实验研究了在氧化石墨烯纳米流体质量分数为0,0.01％,0.05％,0.1％,0.2％时,50,60,70,80,90℃加热温度和50％,60％,70％,80％充液率对重力热管启动性能和传热特性的影响.实验结果表明:氧化石墨烯纳米流体质量分数越大,重力热管热阻越小;在加热温度为90℃、充液率为60％时,质量分数为0.2...     

多壁碳纳米管-水纳米流体导热机理及重力热管实验研究

在考虑了纳米层的情况下对原有的Xue导热模型进行改进,研究多壁碳纳米管-水纳米流体的热传导性能,推导出纳米流体导热公式并将纳米流体运用到碳钢重力热管中,在不同质量分数下对单管传热进行实验研究。结果表明纳米层的存在提高了有效热导率;在相同条件下质量分数2%的多壁碳纳米管-水纳米流体重力热管传热性能最好,传热系数比普通水重力热管最大提高了40%。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82 mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4 mm(1~#)、4.0 mm(2~#)和4.8 mm(3~#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305 W的加热功率下其热阻分别比1#、2#和3#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

多壁碳纳米管-水纳米流体导热机理及重力热管实验研究

在考虑了纳米层的情况下对原有的Xue导热模型进行改进,研究多壁碳纳米管-水纳米流体的热传导性能,推导出纳米流体导热公式并将纳米流体运用到碳钢重力热管中,在不同质量分数下对单管传热进行实验研究。结果表明纳米层的存在提高了有效热导率;在相同条件下质量分数2%的多壁碳纳米管-水纳米流体重力热管传热性能最好,传热系数比普通水重力热管最大提高了40%。     

折弯异型对铜-水热管传热性能影响的实验研究

为了研究异型对于热管性能的影响,对三支铜-水热管进行了实验研究。加热温度范围为50~90℃,冷却水流量范围为40~104 L/h,对比不同工况下的启动性能、等温性能,结果表明,异型管在加热温度较低时可能出现“温度滞后”现象,从而使启动时间显著增加;异型使得热管等温性能变差但仍在可接受的范围内。对不同应用条件下的最大传热功率、蒸发段传热热阻、整体热阻进行了研究,实验表明：加热温度较低时,异型对于最大传热功率及传热热阻的影响较大,当加热温度大于80℃时,异型管与直管之间最大传热功率的差值缩小到30%以内,且此时的传热热阻达到10^-2量级水平。     

ZrO_2-水纳米流体管内层流的传热特性

制备了粒径为50 nm的ZrO2-水纳米流体,并通过添加分散剂NH4PAA改善纳米流体的稳定性。测量了4种不同质量分数(0.2%,0.4%,0.8%,1.2%)的ZrO2-水纳米流体在层流状态下的对流换热系数。实验结果表明:在相同雷诺数下,纳米流体的换热系数要比纯水的有所提高,并随着ZrO2纳米颗粒质量分数的增加而增大。当纳米流体的质量分数为0.2%,0.4%,0.8%,1.2%时,其平均换热系数比纯水分别提高了1.9%,2.4%,5.2%和8.8%。实验管道内的不同位置也影响纳米流体换热系数的提高,入口段的换热系数要比充分发展段提高得更明显,其主要原因是纳米颗粒对流体边界层的干扰。     

Research on heat transfer performance of amphiphilic nanofluid solar gravity heat pipe

Modified graphene/deionized water (DW) based amphiphilic nanofluid (A-nanofluid) without surfactant was prepared through chemical method. The thermal performance of solar gravity heat pipe (SGHP) with A-nanofluid was investigated under different heating powers, incline angles and concentrations. It was found that A-nanofluid can reduce the start-up temperature of the SGHP compared with DW. Within the measured range of heating power, the thermal resistance of the SGHP filled with A-nanofluid is obviously lower than that with DW when the heating power is relatively small. However, the difference of thermal resistance of the SGHP filled with A-nanofluid and DW is almost negligible with the increase of heating power. The incline angle has great influence on the heat transfer capacity of the evaporation section when the incline angle is relatively small. When the heating power is 20 W and the nanofluid concentration (mass ratio) increases from 0.1% to 0.6%, the heat transfer coefficient of the evaporation section decreases by 54.7%; when the heating power is 40 W, the nanofluid concentration (mass ratio) increases from 0.1% to 0.6%, the heat transfer coefficient of the evaporation section decreases by 48.9%.     

非共沸不互溶混合工质脉动热管启动特性分析

针对低加热功率下脉动热管难启动的问题,本文提出一种用于脉动热管相变传热的非共沸不互溶混合工质（HFE-7100和水）,其中低沸点工质潜热小、比热容低、密度大,高沸点工质潜热大、比热容高、密度低。选取水为高沸点工质, HFE-7100为低沸点工质,并将两者按照4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4比例混合,实验研究了不同混合比例工质在不同充灌率和不同加热功率下的启动特性。结果表明：相对于水,HFE-7100的低汽化潜热值和高(dp/dT)_sat值等特点能够加快蒸发段气泡的形成,加速脉动热管的启动;相对于纯工质脉动热管,非共沸不互溶混合工质相当于缩短了脉动热管的有效长度,加快系统启动;在低加热功率下,纯工质脉动热管无法启动,但混合工质脉动热管能够正常启动,且混合比例为2∶1、1∶1和1∶2时启动较快;在高加热功率下,混合比例2∶1启动最快。同时,对于非共沸不互溶混合工质脉动热管,充灌率为30%时启动效果最好。     

氧化石墨烯/水脉动热管的启动及传热特性

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种新型二维平面结构碳纳米材料,具有高导热性和强亲水性。通过实验研究GO纳米流体对脉动热管(PHP)启动及传热的影响。PHP是由3个弯头构成的闭式回路,采用垂直底部加热,功率范围10~105 W;冷凝段强制风冷。去离子水为基液,GO浓度范围0.02%~0.11%(质量分数);固定充液率约50%。结果表明：适当添加GO纳米颗粒可有效改善启动性能。当浓度为0.05%、0.08%时,启动温度可分别降低28.6℃(33.9%)、26.2℃(31.1%),启动时间分别缩短320 s(19.5%)、304 s(18.5%),启动过程更加平稳。GO纳米流体对PHP的传热强化作用与浓度及功率有关。当浓度在0.02%~0.08%范围、加热功率在20~105 W范围时,传热强化率在18.6%~57.1%之间,强化作用明显。在上述浓度范围(0.02%~0.08%)内,随着加热功率增加,热性能改善程度先增加,而后逐渐减少;加热功率为30 W时,热性能改善程度可达到46.1%~57.1%。最后,在实验基础上,综合应用Ku、Bo、Mo、Pr、Ja^* 等无量纲数组合,拟合得到实验关联式预测GO/水PHP传热性能。     

甲醇水溶液脉动热管的传热特性

以体积分数为50%的甲醇水溶液为工质,充液率为50%,对不同倾角和加热功率条件下环路脉动热管的启动性能和稳定运行时的传热性能进行了实验研究。对比分析了甲醇水溶液、无水甲醇和水的传热效果,探讨了甲醇水溶液与水、无水甲醇在启动过程中启动时间、启动温度以及稳定运行时传热热阻、热冷端温差的变化特点。结果表明,在低加热功率条件下,甲醇水溶液45°和90°倾角下的启动方式均为温度渐变型,甲醇水溶液的启动时间比无水甲醇长,但比水短。稳定运行时,甲醇水溶液在90°倾角下加热段温度低于甲醇,且波动较大。在低、中加热功率条件下,甲醇水溶液传热性能优于水和无水甲醇,甲醇水溶液在45°和90°倾角下的最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。     

中温铯热管的启动及传热性能

由于铯化学性质活泼、易发生爆炸且价格昂贵,目前对中温铯热管的研究少见报道,而以高温钠、钾及钠钾合金热管的研究为主。鉴于中温热管应用及系统学术研究的需求,本文制备了铯热管,采用高频加热器调控其热流密度、数据采集系统监测管壁沿程的温度变化,对其启动性能及传热性能展开研究。实验结果表明,铯热管的启动演变规律与钠热管类似,利用Kn=0.01计算其转折温度更为准确。当热流密度q=18.04W/cm²时,通过热管沿程温度分布可知热管实现了声速极限下的启动,绝热段温度与蒸发段温度相差30.00℃。热流密度q=69.10W/cm²时,工作温度可达600.00℃,蒸发段与绝热段最大温差小于7.00℃,且有效长度为100％,表现出优异的换热性能和均温性。     

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500~2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210 W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2?℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500~1400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。     

脉冲加热下微加热器在Al2O3纳米流体中的沸腾换热

以Al₂O₃-H₂O纳米流体中的微加热器为研究对象,通过实验方法对脉冲加热条件下微加热器的温度响应曲线和气泡动力学行为进行了详细的研究。比较了在纯水及浓度为0.1%和0.2%的Al₂O₃-H₂O纳米流体中微加热器的温度变化和气泡动力学行为。发现在脉冲加热条件下,微加热器在不同浓度的纳米流体中将出现不同的温度响应曲线,加热膜表面的气泡动力学行为也不相同。实验表明,在脉冲加热条件下,微加热器在Al₂O₃-H₂O纳米流体中的换热效果要明显高于纯水,纳米粒子的浓度对于加热膜表面的气泡动力学行为有明显影响,对微加热器换热的影响也很大。最后根据实验结果以及纳米粒子对气液固三相线的影响,对实验中Al₂O₃纳米流体的换热情况进行了合理的解释。