納米流體導熱系數影響范文

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《熱科學與技術雜志》2016年第一期

摘要：

十四烷是工業中最常用的液態烷烴之一，常被用于有機溶劑，有重要的應用價值。相比于純烷烴，烷烴基納米流體具有許多優異的性質，特別是導熱系數的增強。采用實驗與理論模型對比的方法，對一些影響十四烷基納米流體導熱系數的因素進行研究，包括納米顆粒種類、濃度、溫度以及穩定性。結果表明，納米流體的有效導熱系數隨納米顆粒體積分數的增加而增加，隨溫度的升高而下降；在各種納米顆粒中，碳納米管對導熱的增強最為顯著，且碳納米管流體具有最好穩定性。

關鍵詞：

十四烷；納米流體；相變材料；導熱系數；穩定性

納米流體作為一種新型工質廣泛應用于電子冷卻、吸收式制冷和熱泵供熱等方面。自Choi［1］于1995年報道了納米流體的優異傳熱性能起，相關研究論文的數量不斷增長。眾多學者進行了納米流體導熱系數增強的實驗。Xuan和Li［2］研究了變壓器油－銅以及水－銅納米流體在不同顆粒濃度下導熱系數的增強，結果表明納米流體的導熱系數隨顆粒濃度的增加而顯著增強。Yu等研究了不同納米流體的導熱增強，包括Fe3O4－煤油［3］、銅－乙二醇［4］和銅－石蠟［5］體系，結果表明三種納米流體導熱都有明顯增強。Sharma等［7］、Colla等［8］、Murshed等［9］以及Liu等［10］分別報道了銀－乙二醇、Fe3O4－水、TiO2－水以及CuO－乙二醇納米流體導熱系數的增強。以上研究均表明納米流體的導熱系數隨顆粒濃度的增加而增加。除了大量的實驗研究之外，一些學者探討了納米流體導熱的理論模型。賈濤等［11］在Kumar模型基礎上建立了適用于碳納米管水基納米流體的導熱系數模型，通過實驗數據（分散劑為SDS的納米流體導熱系數）進行了確認。

Gupta和Kumar［12］利用蒙特卡洛方法研究了布朗運動對于導熱增強的效果，發現相比于單純的擴散機制，布朗運動能夠通過粒子的隨機遷移實現導熱系數增強約6％。Nie等［13］探討了幾種納米流體導熱增強的機制，卻發現布朗運動的作用幾乎可以忽略。一些學者探究了溫度對納米流體導熱的影響。Wen和Ding［14］考察了不同溫度下碳納米管－水納米流體導熱系數，結果表明：當溫度低于30℃時，導熱系數隨溫度升高線性增加；但當溫度高于30℃時，導熱系數不再隨溫度上升而增加。Ding等［15］也發現在碳納米管－水分散體系中，導熱系數隨溫度升高而增加。薛懷生［16］則是對多壁碳納米管納米流體的沸騰傳熱進行了探究。很多學者研究了納米顆粒濃度對導熱增強的影響，但多針對某一種顆粒，且由于不同工作中實驗條件不盡相同，難以直接對比不同納米顆粒導熱系數增強的效果。另一方面，不同研究對溫度的影響仍然存在爭議。

Ding等［15］、Das等［17］以及Chon等［18］認為導熱系數的增強程度隨溫度升高而增加；然而，Witharana等［19］發現TiO2－乙二醇納米流體的導熱增強和溫度關系不大。Tesfai等［20］的研究表明Y2O3－乙二醇納米流體的導熱增強隨溫度升高而增加，但是溫度對Cu－乙二醇納米流體的導熱增強沒有影響。很多研究關注的是水基或者乙二醇基納米流體的導熱系數，很少關注于油基納米流體，尤其是烷烴基納米流體。烷烴相變過程具有可觀的潛熱，在儲能方面有著很高的應用價值，有必要對烷烴基納米流體的導熱系數開展研究。本文研究采用十四烷作為基液，研究Cu、CuO、多壁碳納米管（MWCNT）以及SiO2四種納米顆粒的加入對于納米流體導熱的影響。針對銅－十四烷納米流體，考察了顆粒濃度對導熱系數的影響，并將不同顆粒、濃度的實驗結果與理論模型結果進行對比；測量了納米流體在不同溫度下的導熱系數，以考察溫度對導熱增強的影響。此外，在此前的一些研究中［4，19，21］，有證據表明納米流體不穩定時導熱性能會發生變化，本文研究針對納米流體穩定性對導熱的影響也進行了探究，常用的改變納米流體穩定性的方法包括添加分散劑和納米顆粒表面改性，二者均可通過增大顆粒間的位阻效應提高納米流體的穩定性，故本研究對表面改性、兩種加入不同分散劑以及未處理的納米流體的導熱性能進行了對比分析。

1實驗部分

1．1實驗材料Cu、CuO、SiO2以及MWCNT粉狀納米顆粒從北京德科島金納米技術有限公司購置。Cu納米顆粒的平均粒徑為50nm，CuO粒徑為40nm，SiO2粒徑為50nm，三種顆粒純度均大于99．9％，MWCNT直徑小于8nm，長度為10～30μm，純度大于95％。圖1以銅納米顆粒為例給出了電鏡照片。十四烷從阿拉丁化學試劑公司購置，純度為99％（分析純）。油酸、Span80用作分散劑，從國藥化學試劑有限公司購置，油酸的純度為99％（分析純），Span80的純度為97％（化學純）。采用鹽酸多巴胺（PDA）、三羥甲基氨基甲烷、氫氧化鈉以及十八硫醇（NDM）進行顆粒表面改性，均購置于阿拉丁化學試劑公司，純度均為99％。

1．2儀器和設備采用稱量瓶以及燒杯制備納米流體，精度為0．0001g的電子天平（型號ME204，梅特勒－托萊多公司）用來稱量納米顆粒、分散劑、表面改性的化學原料以及十四烷的質量。采用最大功率為500W的超聲處理器（型號VCY500，上海研永超聲儀器設備公司）分散基液中的納米顆粒。采用磁力攪拌器（型號C－MAGHS4，IKA儀器公司）和高速離心機（型號TG－16WS，長沙湘儀離心設備有限公司）進行顆粒表面改性。采用真空干燥箱（型號DZF－6050，上海一恒科學儀器有限公司）對顆粒進行干燥。采用熱線法（型號TC3010L，西安夏溪儀器設備公司）測量導熱系數，精度為2．0％；利用水浴（型號THY－3010B，寧波天能儀器設備公司）控制溫度。

1．3實驗方法通過兩步法制備納米流體。首先，將十四烷加入稱量瓶中，通過電子天平測得其質量。然后稱量樣品所需體積分數對應質量的納米顆粒（以及分散劑），并加入基液中，通過超聲處理器超聲1h進行均質化處理。納米顆粒的表面改性通過化學方法獲得。首先，1．2g納米銅粉加入120mL、0．01mol／L的三羥甲基氨基甲烷溶液中，對混合液進行20min、250W的超聲處理，加入1．2g的PDA，磁力攪拌2h。然后，對分散體系進行離心30min，轉速為8000r／min。離心得到的沉淀物通過過濾的方法得到，將這些沉淀物加入120mL、pH＝12的氫氧化鈉溶液中，再加入0．8g的NDM，磁力攪拌12h，之后再次高速離心，并過濾分離沉淀物，將得到的沉淀物放入真空干燥箱中，在80℃的環境下干燥24h，即得到表面改性的Cu顆粒。

2結果與討論

2．1顆粒種類對導熱系數的影響本文測量了十四烷基Cu、CuO、SiO2以及MWCNT納米流體的導熱系數，這四種納米流體中納米顆粒的體積分數均為0．5％，測試溫度均為35℃。結果表明，四種納米流體導熱系數均高于基液。在相同體積分數下，多壁碳納米管－十四烷納米流體具有最高的有效導熱系數，而氧化銅－十四烷的導熱系數最低。盡管二氧化硅粉末的導熱系數遠低于銅和氧化銅，但其導熱系數增強效果與銅和氧化銅相當甚至略好，這可能是由于二氧化硅納米顆粒相對更加穩定、均質。從理論模型中可以得到，納米流體的有效導熱系數隨納米顆粒的導熱系數的增加而增加，然而當顆粒的導熱系數相比基液高出很多的時候，納米流體的導熱系數并非同比例增加。另一方面可以看到氧化銅－十四烷納米流體的導熱系數與模型符合最好，而碳納米管－十四烷導熱系數與理論模型結果相差較大。

2．2顆粒體積分數對有效導熱系數的影響研究了不同顆體積分數度對銅－十四烷納米流體的導熱系數的影響，銅的體積分數分別為0．05％、0．10％、0．50％以及1．00％。四種納米流體導熱系數均在35℃下測試。實驗結果與Maxwell模型值［22］進行了對比。圖2顯示了不同體積分數下銅－十四烷納米流體有效導熱系數的實驗值以及模型的理論預測值。從圖2可以看出，在顆粒體積分數為0．05％、0．10％、0．50％時，有效導熱系數實驗測量值高于模型預測值，而當體積分數為1．00％時，理論預測值高于實驗值。

2．3溫度對有效導熱系數的影響研究了體積分數為0．50％的銅－十四烷納米流體在不同溫度下的有效導熱系數，測試溫度分別為35、55、75和95℃。圖3顯示出純十四烷以及銅－十四烷納米流體在不同溫度下的有效導熱系數。

2．4穩定性對導熱系數的影響測量了十四烷－銅納米流體在不同的穩定性下的導熱系數。穩定性控制包括添加油酸、Span80作分散劑以及對Cu進行表面改性。經實驗測定分散劑及表面改性劑本身對納米流體導熱系數影響可以忽略，通過測量粒徑分布得出穩定性排序：無特殊處理＜添加油酸＜添加Span80＜PDA－NDM表面改性。將采用這幾種方法處理的納米流體的有效導熱系數與未進行處理的進行對比。表2顯示了四種不同穩定性的納米流體的有效導熱系數。從表2中可以看出，有表面改性的納米流體有最大的導熱增強。

3結論

本研究對十四烷基納米流體的導熱系數進行了研究，考慮了顆粒種類、體積分數、溫度和穩定性條件的影響，實驗結果與理論模型進行了對比。結果表明，在四種材料當中，碳納米管流體有最高的有效導熱系數。對于銅－十四烷納米流體，有效導熱系數隨納米顆粒體積分數增加而增加，實驗測量值在體積分數較低（＜1．0％）時高于理論預測值，而在體積分數達到1．0％時高于理論值；納米流體導熱系數隨溫度上升而下降，且高于純十四烷的導熱系數；對銅－十四烷納米流體，表面改性后的納米流體有最好的穩定性，同時也具有最大的導熱系數增強效果。

作者：段遠源 吳興輝 龔瑋 吳迪 楊震 單位：清華大學 熱科學與動力工程教育部重點實驗室 二氧化碳資源化利用與減排技術北京市重點實驗室