导热油基TiO2纳米流体热物性研究

采用“两步法”将粒径为15 nm、30 nm和60 nm的TiO2纳米粉添加到导热油中,制备出体积分数为0.1％ ～0.5％的导热油基TiO2纳米流体.实验研究了其在20～60℃的导热性能、粘性和润湿性能,结果表明,该导热油基TiO2纳米流体的导热性能随着温度的升高增加率为20％ ～ 38％,随着体积分数的增大提高了7％ ～ 49％,随着TiO2纳米粉粒径的增加降低了9％ ～25％.与基液相比,该导热油基TiO2纳米流体的粘性随着温度和体积分数的增加也增大了3％～37％,但随着温度的升高纳米流体的粘性却呈线性降低趋势,随着TiO2纳米粉粒径的增加降低了7％ ～22％.室温下,导热油基TiO2纳米流体的接触角比基液减小了28％～50％,表面张力却增加了0.3％～0.5％.     

硫醇修饰铜纳米流体辐射与导热特性研究

为了研究Cu纳米流体光学及热物理性质,采用两步法制备十二烷基硫醇表面修饰的Cu-甲苯纳米流体,分析其在不同条件下的辐射与导热特性。结果表明:对Cu纳米颗粒进行表面处理和超声分散都能有效改善纳米流体稳定性,超声分散3 h时纳米流体稳定性最佳;Cu-甲苯纳米流体的辐射特性与导热特性相较于基液有明显提高,体积分数为0.3%的Cu-甲苯纳米流体在250—2 500 nm波长范围内透射率接近100%;在20—60℃温度范围内纳米流体导热系数随温度、体积分数的增加而增大,随纳米颗粒粒径的增大而减小。Cu-甲苯纳米流体具有良好的辐射与导热特性,有望作为集热介质应用于直接吸收式太阳能系统。     

纳米流体黏度和流变特性的试验研究

对纳米流体黏度和流变特性的研究有助于揭示纳米流体强化传热和传质过程的机理。选用无水乙醇为基液,应用两步法制备了稳定性良好的纳米流体,采用CPE40锥板式黏度计测量了不同纳米粒子、体积份额、粒子粒径和温度下的纳米流体的黏度,分析了黏度随这些因素的变化规律。结果表明,纳米流体黏度随纳米粒子体积份额的增加而增大,随纳米粒子粒径的增大而减小,随温度的增加而降低,且这些因素对不同纳米流体黏度的影响不同。此外,还用Brookfield DVⅢ＋LVDV-E流变仪测量了不同纳米流体的流变曲线,结果表明,在所配制的体积份额内,各纳米流体的黏度不随剪切速率的变化而变化,为典型的牛顿型流体。     

SiO2-乙醇纳米流体重力热管传热性能的试验研究

在Maxwell所提出的关于悬浮液导热系数的模型的基础上考虑了布朗运动、纳米颗粒之间的团聚和固液界面液膜层内液体分子规则排列对纳米流体导热系数的影响,研究了SiO_2-乙醇纳米流体的热传导性能,推导出了纳米流体导热公式,在不同质量分数、不同充液率以及不同粒径下对单管传热进行试验研究。结果表明:改进后的模型导热系数比原模型更大;相同粒径和充液率的纳米流体,质量分数在1.5%时传热效果最好;相同粒径和浓度的纳米流体,充液率32%时传热效果最好;相同浓度和充液率的纳米流体,15～20nm的SiO_2纳米流体传热效果更高。纳米流体的传热系数随着纳米颗粒平均粒径的减小而增大,这与推导的模型结果相符合。     

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%。     

碳纳米管-导热油纳米流体导热与流变特性研究

纳米流体作为新型换热工质,是强化传热的有效途径。今用两步法制备碳纳米管-导热油纳米流体,实验研究流变及导热性能,分析碳纳米管长短、体积分数、温度、转速、SN比(活性剂与纳米颗粒质量比)等因素的影响。结果表明,导热率和黏度随体积分数提高而增大,但随温度升高而下降;碳纳米管长度短,黏度小;长度长,导热率高;体积分数为7%时,导热率提高50%。本研究制备流体都为假塑性流体,低转速下,黏度随SN比先减小后增大;导热率H-C模型中,形状因子n取7时与实验数据基本吻合,并据此提出适合本研究的导热率修正公式。     

水-乙二醇基γ-Al2O3纳米流体的制备及其性能研究

以水-乙二醇为基液,通过两步法制备了质量分数为0.1%的γ-Al₂O₃纳米流体。考察了乙二醇体积分数、分散剂质量分数及种类、超声时间对纳米流体稳定性的影响。结果表明,乙二醇体积分数为35%时更适用于水-乙二醇基纳米流体的制备;质量分数为0.2%的阿拉伯树胶(GA)可有效提高γ-Al₂O₃纳米颗粒在水-乙二醇基液中的分散稳定性;超声30 min即可改善纳米流体的稳定性。最后评价了纳米流体的热物性,当与基液水浴加热到60℃时,水-乙二醇基γ-Al₂O₃纳米流体的导热性能提升幅度最大,为基液的1.35倍;在20～60℃加热过程中,Al₂O₃乙二醇基纳米流体黏度最低达0.97 mPa·s,所制备的纳米流体可适合用于流动换热。     

低浓度Al_2O_3-水纳米流体制备及导热性能测试

采用两步法制备低浓度Al_2O_3(40 nm)-水纳米流体,其体积分数为0.1%～0.5%.制备过程中不加分散剂,采用超声振动,并对其进行Zeta电位、粒度和吸光度测试表征其悬浮稳定性,结果表明当超声时间为3 h时,Al_2O_3-水纳米流体悬浮稳定性最好.进一步测试其导热系数,结果表明Al_2O_3-水纳米流体的导热系数均高于水的导热系数;室温下(17 ℃)当体积分数从0.1%增加到0.5%时,其导热系数从5.40%增加到17.9%.对于体积分数为0.2%的Al_2O_3-水纳米流体,当温度从17 ℃增加到57 ℃时,相应的导热系数从7.23%增加到23%;实验还发现纳米流体导热系数与纳米粒子的体积分数和温度均呈非线性关系.     

氧化硅纳米流体的导热性能研究

采用瞬态热线法测量SiO2-水和SiO2-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SiO2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。     

乙二醇基纳米流体黏度的实验研究

实验研究了3种乙二醇基纳米流体（Al₂O₃-EG、ZnO-EG、CuO-EG）在不同质量分数（0.5%/3.0%/5.0%/7.0%）下的相对黏度随温度的变化规律,实验所用乙二醇基纳米流体采用两步法配制获得。结果表明：在30～60℃温度范围内乙二醇基纳米流体的相对黏度同温度之间并无较强的函数关系（单调递增或递减）;但在质量分数较高时,3种乙二醇基纳米流体的相对黏度随温度的变化会出现波动,且以非球形颗粒的ZnO乙二醇基纳米流体的波动最为显著;乙二醇基纳米流体的相对黏度均随纳米颗粒体积分数的增大而增大,其中CuO乙二醇基纳米流体相对黏度的增长速度最快,Al₂O₃乙二醇基纳米流体的增长速度最慢。最后比较分析了文献中相对黏度预测公式与本文实验数据的相符程度。     

乙二醇基纳米流体黏度的实验研究

实验研究了3种乙二醇基纳米流体(Al2O3-EG、ZnO-EG、CuO-EG)在不同质量分数(0.5%/3.0%/5.0%/7.0%)下的相对黏度随温度的变化规律,实验所用乙二醇基纳米流体采用两步法配制获得。结果表明:在30~60℃温度范围内乙二醇基纳米流体的相对黏度同温度之间并无较强的函数关系(单调递增或递减);但在质量分数较高时,3种乙二醇基纳米流体的相对黏度随温度的变化会出现波动,且以非球形颗粒的ZnO乙二醇基纳米流体的波动最为显著;乙二醇基纳米流体的相对黏度均随纳米颗粒体积分数的增大而增大,其中CuO乙二醇基纳米流体相对黏度的增长速度最快,Al2O3乙二醇基纳米流体的增长速度最慢。最后比较分析了文献中相对黏度预测公式与本文实验数据的相符程度。     

导热油基CuO纳米流体的合成及其强化传热研究

以硬脂酸铜为前躯体,甲苯为溶剂,采用溶剂热-表面修饰法,首次添加浓氨水为反应体系提供碱性环境,一步制备了硬脂酸修饰氧化铜(SA-CuO)纳米粒子,并通过分散SA-CuO纳米粒子合成了导热油基CuO纳米流体。对产物进行了表征,测定了纳米流体的高温导热系数。结果显示,CuO纳米粒子表面被硬脂酸修饰,SA-CuO纳米粒子在导热油中具有良好的分散稳定性;SA-CuO纳米粒子属于单斜晶系结构,形貌为不完全规则的球形纳米粒子,尺寸约为20~50nm。CuO纳米流体与基础油导热系数的比值随SA-CuO纳米粒子质量分数的提高而增大,在100~180℃,导热系数的提高率随温度的升高显著增大。SA-CuO纳米粒子对导热油的导热系数具有显著的强化作用,仅添加0.60wt%的SA-CuO纳米颗粒时,纳米流体的导热系数是导热油的3.19~4.83倍。这种强化传热特点对于提高传热效率、减少能源损耗具有极大的实际意义。     

水基氧化锌纳米流体的制备及其热物性能研究

采用“两步法”将ZnO纳米颗粒及分散剂阿拉伯树胶添加到基液中，制备质量分数为0.4%～2.292%的氧化锌纳米流体，同时对质量分数不同的纳米流体的稳定性及其在不同温度(15～55℃)下的导热性、黏度进行研究。结果表明，在质量分数为0.4%～1.552%下，氧化锌纳米流体稳定性更好。质量分数为0.4%～1.173%之间导热性相对基液有所提高，且质量分数为0.788%时导热效果最好。与基液相比，所制备的纳米流体的黏度都有所增加，并且质量分数越大黏度也相应越大。     

中空纤维膜纺丝液体系（PVDF/TEP/Al2O3）的流变性

以聚偏氟乙烯(PVDF)为原料,磷酸三乙酯(TEP)为稀释剂,纳米Al2O3为添加剂,采用旋转黏度计,研究分析了PVDF/TEP/Al2O3体系的流变性能。试验结果表明,PVDF/TEP/Al2O3体系的表观黏度随剪切速率的升高而降低,属于切力变稀流体;该体系的表观黏度随着PVDF浓度的增大而增大,随着温度升高而降低;该体系的零切黏度随着添加剂浓度的增加而增大,随着温度的升高而降低。但随着添加剂浓度的增大,其非牛顿指数和结构黏度指数都有极值点出现,在添加剂浓度为1.5 w%时,纺丝液的非牛顿性变弱,结构化程度最低。     

利用3ω法同时测量纳米流体热导率和热扩散系数

提出了应用基于谐波探测技术的3ω法进行液体导热性能测量的方法。设计了3ω测试系统，测试了不同浓度和不同温度下纳米流体的热导率和热扩散系数，与文献中的测试结果进行了对比。实验中测试的热波信号较好地满足频域内的导热方程，说明采用交流电流加热可使流体的微对流作用得到有效减弱。采用基于多颗粒布朗运动的微对流（MSBW）模型预测了纳米流体的热导率。浓度比较低时TiO₂+蒸馏水、Al₂ O₃+蒸馏水纳米颗粒流体的热导率随温度增加呈线性增大，并且与液体的Prandtl数有关，在测试温度为18～65℃范围内，水的热导率随温度升高以及纳米颗粒的布朗运动所引起周围基液的微对流作用是纳米流体强化传热的两个重要机理。     

三元混合纳米流体稳定性及热性能

采用两步法制备体积分数为0.005%～1%的Al₂O₃-TiO₂-Cu/水三元混合纳米流体,粒子体积比为40∶40∶20。为了提高其稳定性,添加少量的PVP（0.005%）表面活性剂,并用XRD、TEM、紫外分光光度计和沉淀观察法共同表征纳米流体的稳定特性。测量温度为20～60℃的黏度和热导率,并与相对应的单一纳米流体作对比。试验结果表明,三元混合纳米流体由于各种粒子的粒径和表面能不同,小粒径的Al₂O₃颗粒填充在大粒径TiO₂和Cu颗粒形成的间隙里,可形成致密的固液界面层。三元混合纳米流体由于粒子的特殊排布,使其热导率明显高于相同体积分数下对应的单一纳米流体,黏度却无明显增大。当体积分数和温度分别为1%和60℃时,与Al₂O₃/水纳米流体对比,其热导率增大了5.5%,黏度下降了2.6%。热导率随温度和浓度的升高而升高;而黏度随浓度的升高而升高,随温度的升高而下降,这与单一纳米流体的性质一致。最后,基于试验数据,对热导率和黏度分别进行与温度的拟合,R²分别为0.9835和0.9820,能较精确地预测Al₂O₃-TiO₂-Cu/水三元混合纳米流体的热导率和黏度。     

pH值对TiO_2-H_2O纳米流体稳定性及热物性影响的实验研究与评价方法

通过两步法制备质量分数为0.1%的TiO_2-H_2O纳米流体,测量纳米流体在pH值为2,4,6,8,10,12基液下的Zeta电位、导热系数、黏度,进行静置实验以及透射电镜(TEM)扫描,研究pH值对TiO_2纳米流体稳定性和热物性的影响,比对PER模型和优值Mo数分析的评价方法。研究表明,TiO_2纳米流体在pH值为2和12时Zeta值分别为24.10和-40.60,pH值为12的样品在20℃时导热系数相比于基液提高了1.04倍,60℃时提高了1.17倍;pH值为2样品在20℃时导热系数相比于基液提高了1.06倍,60℃时提高了1.14倍,两种评价模型表明,pH=2,pH=12,在特定温度下,均满足PER值<5,优值Mo模型C_μ/C_λ<4,表现最为稳定且热物性表现最优。pH值为6,8的纳米流体处于Zeta电位不稳定的缓冲区,稳定性差,热物性表现差。     

水基SiO2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO₂纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO₂/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明：对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。     

Cu/Al纳米流体的制备及导热性能

以柠檬酸钠和β-糊精为稳定剂、以抗坏血酸为还原剂,采用化学还原法制备Cu/Al复合纳米粒子,以水-乙二醇为基液,制备不同质量分数的Cu/Al复合纳米流体。利用XRD、SEM、TEM对Cu/Al复合纳米粒子的相结构和微观形貌进行表征,采用紫外-可见分光光度计和热物性分析仪测试Cu/Al复合粒子纳米流体的稳定性和导热性;研究了不同铜盐前驱体、不同浓度的铜盐对Cu/Al复合纳米相结构和形貌的影响;研究了分散剂种类及纳米粒子添加量对纳米流体稳定性和导热性影响。结果表明,以醋酸铜为前驱体,采用还原法制备的Cu/Al纳米复合粒子具有核壳结构,大小均匀,粒径约为50 nm;以柠檬酸钠为稳定剂,质量百分数为0.1%,0.3%,0.5%复合Cu/Al纳米流体均具有良好的分散稳定性;纳米流体的导热系数随着添加物用量增加而提高,当Cu/Al纳米复合粉体的质量分数为0.5%时,室温下纳米流体的导热系数相对于基液可提高39.6%。     

水基SiO_2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO_2纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO_2/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明:对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。