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tio2-水纳米流体对流传热的强化机理研究

TiO2-水纳米流体对流传热的强化机理研究

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作者：王桂卿中国矿业大学

学位级别：硕士

自然对流和强制对流是生活中比较常见的热交换形式。自然对流无需额外增加驱动装置,而是依靠流体的温度差或者密度差来驱使流体的流动。而强制对流是添加驱动装置使流体流动,例如泵,风机等。这两种流动方式的优缺点很明显,自然对流的优... 详细信息

自然对流和强制对流是生活中比较常见的热交换形式。自然对流无需额外增加驱动装置,而是依靠流体的温度差或者密度差来驱使流体的流动。而强制对流是添加驱动装置使流体流动,例如泵,风机等。这两种流动方式的优缺点很明显,自然对流的优点有:安全,没有噪声且成本低,但是缺点也很明确,换热效果较差。强制对流则相反,优点是换热效果好且比较容易控制,而缺点就是噪声较大且能耗高。纳米流体出现后,学者们在纳米流体的物性及其应用上进行了许多研究,如今纳米流体在强化传热方面的研究及其应用是工程热物理、化学、材料及其能源利用的前沿课题,这对于改善换热器效率及其增大传热负荷有着非同寻常的意义。本文制备了tio水基纳米流体,并对其在自然对流和强制对流中的应用进行了实验研究,内容包括:纳米流体在腔体内(有、无填充金属泡沫)的自然对流换热情况;内置纽带圆管和波纹管中强制对流传热特性,为tio水基纳米流体在自然对流和强制对流的研究中提供一定的实验依据。本文主要工作及结论如下:(1)纳米流体的制备:利用“两步法”配制了稳定的tio水基纳米流体并测量所配流体的热物性。本文通过调控纳米流体的pH值、分散剂比例以及搅拌震荡时间配制出了稳定的tio-水纳米流体,纳米流体可以保持7天无明显沉淀物,能够达到实验要求。(2)腔体内纳米流体的自然对流传热:搭建了不同旋转角度的腔体内自然对流传热测试实验台,并探究了纳米流体浓度、旋转角度、加热功率以及腔体尺寸对自然对流传热效果的影响。实验测量结果显示:换热效果随着纳米流体浓度的增大会有不同程度上的增大,但是流体浓度从0.3%增加到0.5%时换热增强幅度在减小。封闭腔体的放置角度不同,自然对流换热效果也不尽相同,换热效果在α=0°时最好,紧接着是α=45°和90°,换热效果最差的是α=-45°。另外,封闭腔体的宽高比对换热影响极其明显,随着腔体宽高比的增大,努塞尔特数显著增加,自然对流换热效果也显著增强。(3)填充金属泡沫腔体内纳米流体的自然对流传热:搭建了填充不同孔密度(PPI=5,15,25)的金属泡沫铜腔体内的自然对流实验台,研究了tio-水纳米流体在填充金属泡沫腔体内的自然对流效果,并分析了纳米流体浓度以及孔密度(PPI)对自然对流传热的影响。实验测量结果显示:当填充的金属泡沫铜PPI=5以及25时,传热效果接近,均比PPI=15时的换热效果好。另外努塞尔特数随加热功率的提高而变大,但是换热增强效率却随加热功率的提高而降低。(4)内置纽带圆管内纳米流体的强制对流传热:搭建了内置纽带圆管的强制对流传热实验系统,研究了tio-水纳米流体在内置纽带圆管(静止纽带和旋转纽带)内的流动与传热情况,并研究了纳米流体浓度以及内置纽带的状态(静止和旋转)对实验系统流动与传热的影响。实验测量结果显示:与去离子水和圆管的耦合换热相比,纳米流体与内置旋转纽带圆管的耦合换热以及纳米流体与内置静止纽带圆管的耦合分别可以强化换热53.1-101.6%和40.1-81.7%。相同的实验工况下,圆管中内置旋转纽带比内置静止纽带最大可使实验的努塞尔特数提高13.1%。另外在内置旋转纽带圆管的所有工况中,纳米流体浓度为0.3%时的综合评价系数最大,其值为1.519。(5)波纹管内纳米流体的强制对流传热:搭建了波纹管(圆管)的强制对流传热实验系统,研究了tio-水纳米流体在不同波距的波纹管中的换热情况,并探究了纳米流体浓度、管型以及波距对系统中流动与传热的影响。实验测量结果显示:在层流区,与水在光管中的流动相比,纳米流体在圆管和波纹管中的传热能力提高了2.64-22.62%,而在湍流区,可以增强4.3-66.34%。实验系统的传热特性随着波距的变小和纳米流体浓度的变大而得到改善,但是同时流动损失也随之变大。另外,圆管和波纹管的最大综合评价系数分别可达1.156和1.5637。

关键词： tio2-水纳米流体对流传热强化换热综合评价系数

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纳米流体管内流动的悬浮稳定性与强化传热特性研究

纳米流体管内流动的悬浮稳定性与强化传热特性研究

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作者：程大朋天津大学

学位级别：硕士

为了适应工业工程中设备小型化,热负荷增加的需要,科研工作者提出了多种强化传热技术,但传统的通过扩大换热表面等方法已很难满足特殊条件下的传热和冷却要求。近些年来,纳米技术的逐渐成熟给强化传热领域带来了新的机遇。研究表明,在... 详细信息

为了适应工业工程中设备小型化,热负荷增加的需要,科研工作者提出了多种强化传热技术,但传统的通过扩大换热表面等方法已很难满足特殊条件下的传热和冷却要求。近些年来,纳米技术的逐渐成熟给强化传热领域带来了新的机遇。研究表明,在液体工质中添加纳米粒子,可显著增加液体的导热系数,增强热交换系统的传热性能。本文的研究内容主要围绕纳米流体的制备、稳定性分析、纳米流体的流动与对流换热特性展开,主要内容包括以下几个方面: 1、纳米流体的制备及分散稳定性分析将氧化钛粉末与液体介质混合,制备了几种不同浓度的tio-水纳米流体,采用沉降实验、观察粒子形貌特征、测定粒度分布等方法对悬浮液的稳定性进行了分析。结果表明,超声时间、分散剂浓度、纳米粒子浓度是影响其稳定性的重要因素。 2、弯管段对纳米流体管内层流状态下悬浮稳定性的影响建立了纳米流体管内循环流动的实验装置,对tio-水纳米流体弯管内层流状态下的悬浮稳定性进行理论分析。实验结果表明,与直管中不同纳米流体在弯管中流动时,Reynolds增加,粒子浓度略微下降;雷诺数的变化对悬浮液的分散稳定性有重要影响。例如纳米流体在流经直管Re=200、2000时,相比与制备好纳米流体,其粒子浓度分别为初始浓度的71.5%、96.9%;而对于弯管中流动的纳米流体,Re=200、2000时,其粒子浓度分别为初始浓度的68.5%、89.3%。 3、层流范围内粒子浓度的变化对纳米流体稳定性的影响采用两步法制备了若干种浓度的纳米流体,研究了流动状态下纳米粒子浓度对悬浮液稳定性的影响。实验结果表明,Reynolds一定时,随着粒子质量分数的增加,其粒子团聚、沉积的百分数会逐渐增大,即悬浮液的稳定性越差。例如,Re=1000,当ω=0.005, ?ω=3.8%;ω=0.015, ?ω=5.7%。此外,Reynolds大小会对这一结果产生影响,当粒子浓度较小时,雷诺数影响不明显,但随着粒子浓度的增加,Reynolds越大,悬浮液稳定性越好。例如,ω=0.05,当Re=1000、2000时,其粒子浓度分别下降4.2%、3.8%;ω=0.015,当Re=1000、2000时,其粒子沉淀的百分比分别为8.3%、5.7%。 4、纳米流体对流换热特性实验研究自行设计了测量纳米流体管对流换热系数的实验装置,测量了不同质量份额的tio-水纳米流体在Reynolds1000～2500范围内的对流换热系数。实验结果显示,在液体中添加纳米可以显著增加液体的对流换热系数(Nu、h),增强了液体的换热效果;另外,分别对换热实验段为铜光管、内螺纹管的换热系数进行了对比。实验结果表明,相比于基础液体纳米流体在内螺纹管内的换热系数降低,且随着雷诺数的增加降幅增大,随着流体速度的增加,水的换热系数Nu和h不断增大,且在螺纹管内增加的比例远高于铜光管。

关键词： tio2-水纳米流体粒子浓度悬浮稳定性对流换热

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