納米流體在小通道板式換熱器中的性能實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究

1、納米流體在小通道板式換熱器中的性能實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究Dustin R. Ray 1, Debendra K. Das , Ravikanth S. Vajjha2114摘要：在乙二醇和水的混合物中做氧化鋁、氧化銅和二氧化硅這三種納米流體的理論研究來(lái)比較他們?cè)谝粋€(gè)緊湊的小通道換熱器中的性能。稀釋的研究表明,當(dāng)粒子體積濃度為1%時(shí),所有的納米流體相對(duì)于他們的基本流體都得到了改善。在三個(gè)重要參數(shù)都相同的基礎(chǔ)上做出比較，分別是在板式換熱器中用相同的質(zhì)量流率、相同的傳熱速率和相同的泵功率。每種情況下，在板式換熱器所需的傳熱系數(shù)相同的情況下三種納米流體都提高了對(duì)熱傳熱系數(shù)、減少體積流率和降低泵功率。冷卻劑,h

2、fe - 7000在熱交換器冷流體端被研究,具有在極低的溫度應(yīng)用的潛能,但并沒(méi)有在文獻(xiàn)中被廣泛研究。確認(rèn)了測(cè)試中使用水作為基本循環(huán)液的小通道板式換熱器中測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)值與預(yù)測(cè)的傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)驚人的一致。從含有0.5%氧化鋁納米流體的實(shí)驗(yàn)中，初步導(dǎo)出了在PHE中努塞爾特?cái)?shù)和摩擦系數(shù)的相關(guān)性。這個(gè)裝置將用來(lái)測(cè)試不同種類的納米流體，以最終確定參數(shù)對(duì)緊湊換熱器的影響如：體積濃度、粒度和基礎(chǔ)熱流體性質(zhì)和流體動(dòng)力學(xué)性能文章信息文章歷史收到的日期2013年8月2日收到修訂后的版本的日期·2013年12月25日通過(guò)日期2013年12月28日網(wǎng)上時(shí)間2014年1月25日關(guān)鍵字：緊湊換熱器、板式換熱

3、器、對(duì)流傳熱、摩擦系數(shù)、納米流體、努賽爾數(shù)、普朗特?cái)?shù)、雷諾數(shù)、熱物理性質(zhì) 1. 介紹納米流體是穩(wěn)定的納米級(jí)顆粒的懸浮液,不到100納米,常見(jiàn)的基礎(chǔ)液體有水,乙二醇、丙二醇、石油和其它液體。添加高導(dǎo)熱金屬納米粒子如銅或鋁來(lái)增加膠體導(dǎo)熱率的解決方案,提高他們的整體傳熱能力。從1995年Choi和Eastman的最初研究開(kāi)始,過(guò)去的十五年目睹了豐富的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值研究探索納米流體作為傳熱介質(zhì)相對(duì)于傳統(tǒng)的液體的優(yōu)勢(shì)。Das等人匯編了一本關(guān)于各個(gè)方面研究納米流體的科學(xué)和技術(shù)且有廣泛體積量書，在他們的書中覆蓋到了2006的進(jìn)展。Minkowycz等人編輯了一本新書，里面寫了10章由該領(lǐng)域?qū)＜铱偨Y(jié)的關(guān)于納米傳

4、熱和流體流動(dòng)直到2013的最新發(fā)展。目前全球都在研究納米流體，表現(xiàn)出一個(gè)綜合的結(jié)論那就是納米流體可以成為一種優(yōu)越的傳熱流體。這個(gè)目標(biāo)能夠被實(shí)現(xiàn)，證明在熱交換中流動(dòng)的納米流體設(shè)計(jì)條件是按參數(shù)精心優(yōu)化的，趨向于充分利用合適的納米流體熱物理特性的結(jié)合。在本文中，我們已經(jīng)敘述了這些屈服于優(yōu)越性能的屬性。 由于納米流體是一類新設(shè)計(jì)的流體，迄今進(jìn)行了大量的研究工作一直致力于確定其熱物理性能準(zhǔn)確，因?yàn)樗麄兓敬_定對(duì)流傳熱和泵浦功率。然而，到現(xiàn)在為止，在有限的研究量已提交了理論分析和熱交換器納米流體的實(shí)際測(cè)試，并將它們的熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)性能與傳統(tǒng)的液體進(jìn)行比較。為了發(fā)展這種缺乏數(shù)據(jù)的研究，我們開(kāi)始在板式換熱

5、器上對(duì)納米流體和基礎(chǔ)液體的實(shí)驗(yàn)和理論研究。本文提出的方法可以很容易地適應(yīng)任何類型的緊湊熱交換器。探索納米流體在應(yīng)用中作為冷卻劑的主動(dòng)熱控制（ATC）循環(huán)，這樣研究的動(dòng)機(jī)源于美國(guó)航空航天局未來(lái)航天器的散熱需求。ATC循環(huán)由溫加爾和埃里克森提出。示于圖。 1。熱的乘員模塊中產(chǎn)生的量是約2.5千瓦，其具有通過(guò)一個(gè)緊湊液體對(duì)液體熱交換器4,5消散。在本研究中，我們已經(jīng)探討了這種熱評(píng)級(jí)緊湊的板式換熱器由于其容易獲得而用來(lái)比較納米流體性能。根據(jù)由Kandlikar等描述的分類。6，這是一個(gè)迷你通道換熱器，因?yàn)榧纫獫M足這種分類的最小通道尺寸為3毫米而我們的熱交換器具有2mm的通道尺寸。Shah所描述的緊湊型

6、換熱器具有傳熱面積與體積之比從大約700平方米/立方米開(kāi)始7 。這個(gè)PHE擁有約1000平方米/立方米緊湊性因素，把它順利納入緊湊式換熱器的范圍。雖然本文涵蓋了PHE，從所描述的方法學(xué)的知識(shí)將成為一個(gè)直接的擴(kuò)展去代替實(shí)驗(yàn)或分析其他類型的緊湊型換熱器的特性和評(píng)估下納米流體流入的它們的性能。本文中描述的實(shí)驗(yàn)研究的測(cè)試回路可適于測(cè)試不同類型的緊湊型換熱器、微通道裝置、散熱片和冷卻板、且發(fā)現(xiàn)在熱管理方面也能有廣泛的應(yīng)用。多年來(lái)由于電子設(shè)備和微機(jī)電系統(tǒng)的不斷小型化，熱密度顯著增加了。因此，本文中調(diào)查顯示納米流體的熱性能比相應(yīng)的基礎(chǔ)液體顯示出的性能更優(yōu)異，能夠除去緊湊式換熱器中的高熱流。這里提供的信息應(yīng)該

7、是有益的優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。熱交換器減小的尺寸、重量和泵功率將為NASA節(jié)省大量成本，因?yàn)樗某杀炯s為120008$卻將送入軌道的有效載荷減輕 1英鎊。 板式換熱器（PHE）已廣泛的被用來(lái)研究的單相流體，并在隨后發(fā)現(xiàn)在冷凝器和蒸發(fā)器中發(fā)生兩相氣液流動(dòng)中也能應(yīng)用。最近的一項(xiàng)綜合性由Wang等人著作。9其中涵蓋PHE適用于基本流體的各個(gè)方面，但不包括納米流體。研究納米流體流板式換熱器是相當(dāng)有限的,這里我們只引用其中一些。Mare等10實(shí)驗(yàn)研究了分散在純水層流條件下的氧化鋁和碳納米管兩種納米流體。他們測(cè)量氧化鋁和碳納米管懸浮液的傳熱系數(shù)比純凈水分別提高42%和42%。他們描述一個(gè)參數(shù)去比較傳熱增益相對(duì)于

8、抽運(yùn)功率的損失，氧化鋁和碳納米管納米流體分別增加22%和150%,雖然是和純水比較熱工性能。Jokar和O ' halloran11 層流流態(tài)下體積濃度為1 - 4%的Al2O3-水納米流體進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析。他們的研究結(jié)果表明, 板式換熱器的總傳熱隨著納米流體體積濃度的增加而有輕微下降。他們這種不尋常的行為歸因于在板式換熱器三維尺寸中的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)。許多研究人員表示,在圓形管道中的簡(jiǎn)單幾何流動(dòng)傳熱率隨濃度增加而增大。傳熱速率低于預(yù)測(cè)的另一個(gè)原因可能與他們估算的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)。它們的熱導(dǎo)率曲線顯示在一個(gè)固定的溫度下會(huì)有非常低的約2的增強(qiáng)，甚至對(duì)于明顯的顆粒的體積濃度為4納米流

9、體。這種不尋常的低導(dǎo)熱性增強(qiáng)的價(jià)值很容易因?yàn)樵诹黧w動(dòng)力學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)出錯(cuò)而廢止。Pantzali等人12 用PHE進(jìn)行的4的氧化銅（CuO）水懸浮試驗(yàn)研究中傳熱功率高達(dá)3.5千瓦。他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示基液和納米流體在雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)都相似的情況下操作下會(huì)得到同樣努塞爾數(shù)。他們得出的結(jié)論是,納米流體在層流條件下是有益的。然而, 為了在湍流條件也有益, 必須增加邊界粘度才能使熱導(dǎo)率增加。Fard等人。 13在納米同心管和板式換熱器進(jìn)行了水為基礎(chǔ)液、氧化鋅（ZnO）納米流體體積濃度為0.5的流體進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)應(yīng)于相等質(zhì)量流率為10g/s上的板式換熱器熱端和冷端一樣，他們測(cè)得氧化鋅納米流體的

10、總傳熱系數(shù)比蒸餾水高20。 他們還利用商業(yè)CFD代碼,CFX對(duì)PHE的流體流動(dòng)進(jìn)行了三維流體動(dòng)力學(xué)分析。他們報(bào)道板式換熱器預(yù)測(cè)的平均數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差約7.5%。Tiwari等人14實(shí)驗(yàn)研究了以水為基礎(chǔ)液、濃度高達(dá)3%的四種納米流體：CeO2,Al2O3, SiO2和SiO2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化鈰納米流體為0.75最佳的體積濃度時(shí)PHE的總傳熱系數(shù)得到最大為35.9增強(qiáng)。在這個(gè)條件下最優(yōu)性能指標(biāo)定義為傳熱泵功率之比,結(jié)果比基礎(chǔ)液增強(qiáng)了16%。 Pandey和Nema15 用PHE對(duì)純水和Al2O3納米顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究直到納米顆粒體積濃度達(dá)到4%。從他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)中據(jù)根據(jù)粒子體積濃度和沛克萊

11、數(shù)提出了努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的相關(guān)性 (Re·Pr)。他們還計(jì)算板式換熱器的火用損失,發(fā)現(xiàn)體積濃度為2%時(shí)的火用損失最低。我們提出了實(shí)驗(yàn)和理論分析,證明在優(yōu)化應(yīng)用程序中通過(guò)參數(shù)化運(yùn)行,使用納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體可以減少泵功率要求和熱交換器的大小,同時(shí)實(shí)現(xiàn)相同數(shù)量的傳熱。因此,納米流體可以成為許多熱應(yīng)用程序系統(tǒng)的一個(gè)有吸引力的候選者。本研究的另一個(gè)有價(jià)值的特性是，它計(jì)算一個(gè)極低溫的冷卻劑的性能，HFE-700016，NASA在考慮將它用在太空上的表面散熱器里（圖1）。航天器在一些位置和方向時(shí)太陽(yáng)射線被阻塞,它可能經(jīng)歷的有效天空溫度低至-100,因此,該傳熱流體的凝固點(diǎn)為-122.5，被選

12、中時(shí)它不會(huì)在散熱器管路中凍結(jié)。這種流體在世界的寒冷地區(qū)也被研究，如北極圈的國(guó)家，在環(huán)境溫度達(dá)-60傳熱的應(yīng)用很重要。在每年冬天阿拉斯加石油和天然氣領(lǐng)域的設(shè)備都經(jīng)受這樣的溫度。（見(jiàn)圖2）1.1 目的實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)研究是在釬焊板式換熱器的測(cè)試循環(huán)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中顆粒體積濃度為0.5的氧化鋁納米流體分散在EG/ W為60:40的基液中。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中完善了努塞爾數(shù)()和摩擦系數(shù)(f)的初步相關(guān)性。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果使我們能夠定量比較，一納米流體和基礎(chǔ)流體的熱和流體動(dòng)力學(xué)性能。理論：使用Focke等人成熟的單相流體相關(guān)的詳細(xì)理論研究。 17通過(guò)MATLAB腳本的方式對(duì)在PHE熱端四種熱傳遞介質(zhì)的流體動(dòng)力性能和熱性能

13、進(jìn)行比較。這些介質(zhì)是:G/ W為60:40的純液體和基礎(chǔ)液相同且體積濃度為1%的Al2O3,CuO和SiO2三種納米流體。在所有四種情況中，在板式換熱器的冷端的冷卻劑被認(rèn)為是HFE7000，吸收熱量為NASA 的ATC系統(tǒng)所提出的約2.5千瓦。 2.相關(guān)的熱物理性質(zhì)三種類型在納米粒子，Al2O3、CuO和SiO2被選出來(lái),因?yàn)樗鼈兘陙?lái)作為有前景的添加劑其納米流已經(jīng)被廣泛研究了。完成這些納米流體的熱能與流體動(dòng)力學(xué)分析必須要熱物理性質(zhì)的精確公式：密度、粘度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。2.1 基礎(chǔ)液性質(zhì)2.1.1 乙二醇和水的混合物(EG/ W)在熱端的質(zhì)量比例為60:40.從ASHRAE18手冊(cè)上展示的質(zhì)

14、量比為60:40GE/ W的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,接下來(lái)以一個(gè)誤差小于1%的非常高精度測(cè)定相關(guān)的基礎(chǔ)液的密度、粘度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。選擇60:40比例的原因則是由于這個(gè)比例達(dá)到最低冰點(diǎn)(-48),這在極端寒冷地區(qū)應(yīng)用是非常重要的。這種液體在PHE熱端中被采用，時(shí)美國(guó)NASA的ATC系統(tǒng)的主回路也考慮采用它。NASA的選擇是丙二醇/水(PG / W)，因?yàn)槠涠拘缘停欢鳳G / W納米流體的相關(guān)屬性相尚未公布。所以，/ W用于獲得一個(gè)大趨勢(shì)。/ W基礎(chǔ)液所有的相關(guān)屬性在表1中給出。粘度的擬合曲線符合根據(jù)水粘度而推薦的二次方程。所有其他相關(guān)屬性遵循20從他們推導(dǎo)出的無(wú)量綱形式中提煉的指導(dǎo)方針。2.1.

15、2 冷端的HFE-7000表2中基礎(chǔ)液HFE - 7000的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)自于文獻(xiàn)3 M16。3M文獻(xiàn)16分別給予密度，比熱和熱導(dǎo)率的公式。根據(jù)3M文獻(xiàn)中給出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)曲線 - 擬合導(dǎo)出粘度公式符合White的二次方程式。這種液體被PHE冷端選中并且會(huì)循環(huán)在NASA的ATC系統(tǒng)的二次回路中。HFE - 7000作為冷卻劑的優(yōu)點(diǎn)是它在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下-122.5的低凝固點(diǎn)和低粘度。和EG/W比較，粘度比（1EG/W/1HFE）在20室溫時(shí)約為11.64，在-40時(shí)95.HFE - 7000的缺點(diǎn)是它相對(duì)于其他冷卻劑的低導(dǎo)熱系數(shù)；KWG/ W / Khfe在20室溫時(shí)4.69 ，-40時(shí)3.50。因此

16、, HFE - 7000可以通過(guò)摻雜納米顆粒來(lái)豐富，,隨著粒子的摻雜將增強(qiáng)固有的低導(dǎo)熱系數(shù)但不會(huì)過(guò)于不利的增加粘度,因?yàn)樗婚_(kāi)始是非常低的。2.2 納米流體性能Vajjha等人21對(duì)比了Pak和Cho22根據(jù)質(zhì)量守恒提出的理論密度方程（1）和測(cè)量的氧化鋁，氧化銻錫，和氧化鋅（ZnO）三種不同的納米流體密度值，發(fā)現(xiàn)該理論方程和測(cè)量的數(shù)據(jù)是一致的。因此,方程采用密度計(jì)算。Vajjha和Das23在測(cè)量氧化鋁,二氧化硅,氧化鋅三個(gè)納米流體的比熱發(fā)展了方程(2)的相關(guān)性,A,B和C是每個(gè)納米顆粒的曲線擬合系數(shù)。CuO和其他納米流體的比熱可以用公式（3）來(lái)計(jì)算。公式（3）由Xuan和Roetzel24基

17、于顆粒和基底流體之間的熱平衡開(kāi)發(fā)。Koo和Kleinstreuer25開(kāi)發(fā)了納米流體的熱導(dǎo)率模型,這個(gè)模型添加了一個(gè)布朗運(yùn)動(dòng)術(shù)語(yǔ)到經(jīng)典麥克斯韋模型上,體現(xiàn)在方程式(4)上。繼Koo和Kleinstreuer的模型后，Vajjha和DAS26和Sahoo等人27為納米粒子分散于EG/ W為60:40的基礎(chǔ)流體的流體開(kāi)發(fā)了類似的相關(guān)性。他們使用擁有穩(wěn)態(tài)技術(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)儀通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定Al2O3、銅氧化物、氧化鋅和SiO2的熱導(dǎo)率,。他們?yōu)槊總€(gè)納米流體派生出了方程(4 b)和曲線擬合關(guān)系d= f()。Vajjha等人28 為EG / W基礎(chǔ)液準(zhǔn)備的三種納米流體(Al2O3, CuO, SiO2) 提出了

18、一個(gè)無(wú)量綱相關(guān)性方程(5),在A和B為每個(gè)納米粒子結(jié)合了Namburu 等人(29、30)和Sahoo等人31的數(shù)據(jù)集的曲線擬合常數(shù)。3.板式換熱器我們使用SWEP B5H板式換熱器32進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析。由于其設(shè)計(jì)的專有性。一些來(lái)自制造商的幾何數(shù)據(jù)無(wú)法使用。因此, 列在表3的一些幾何數(shù)據(jù)是來(lái)自計(jì)算。 我們假定某些實(shí)際的大小然后讓其中一些在制造商的軟件（SSP G7）里運(yùn)行，直到我們的估計(jì)性能與SWEP的換熱器性能一致。要獲得表3中列舉的PHE的幾何形狀和不同參數(shù)的明確的解釋，由Wang9等人本寫的書是一個(gè)很好的來(lái)源。這本書還提供了評(píng)級(jí)或設(shè)計(jì)一個(gè)板式換熱器需要的流動(dòng)配置,努塞爾特?cái)?shù)、摩擦系數(shù)和熱/

19、流體動(dòng)力學(xué)性能的相關(guān)性方程。4.實(shí)驗(yàn)性研究實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。在循環(huán)中, 圖左邊的是熱流體在熱交換器的流通。納米流體和EG / W的混合物在這個(gè)循環(huán)里流通。有四個(gè)2千瓦的電加熱器安裝在儲(chǔ)罐進(jìn)口和出口的。流體在儲(chǔ)罐的出口溫度的是通過(guò)固定狀態(tài)控制,以使儲(chǔ)罐輸出的是熱交換器所需的高溫流體。目前熱交換器冷卻水供水系統(tǒng)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)前的目標(biāo)是測(cè)試不同納米流體在進(jìn)行熱液循環(huán)時(shí)被水所降低的溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們的目標(biāo)是發(fā)展努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)與幾個(gè)納米流體的雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)、雪佛龍角、納米顆粒體積濃度、粒度和粒子屬性的相關(guān)性。除了板式換熱器,其他類型的緊湊型液體對(duì)液體熱交換器和冷卻板也可以用這個(gè)循環(huán)進(jìn)行測(cè)試

20、。將來(lái)冷卻端可以制成一個(gè)封閉的循環(huán)，其他比水優(yōu)異的不同的冷卻劑可以在必要時(shí)流通。觀察到,在冷端出口溫度有很高的響應(yīng)系統(tǒng)的變化。因此，穩(wěn)定狀態(tài)被定義為冷端出口溫度穩(wěn)定，并有0.1以內(nèi)的余量，同時(shí)冷熱兩端的能量平衡也是在±5以內(nèi)。 一旦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài),每個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量三次分別間隔3分鐘，所有的數(shù)據(jù)收集遵循這個(gè)過(guò)程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的參數(shù)測(cè)量是:進(jìn)口和出口溫度、體積流量和熱交換器冷熱流體的壓差。4.2從實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的方程從測(cè)量是數(shù)據(jù)得到所需的性能結(jié)果的計(jì)算使用以下方程。流體熱物理性質(zhì)的計(jì)算使用方程(6)，平均總體溫度作為被描述量，冷熱兩端的傳熱率測(cè)定都采用能量平衡方程。對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算使用逆流形式的溫度

21、。整體傳熱系數(shù)方程(9)計(jì)算用平均傳熱速率方程(10)。雷諾數(shù)(11)和普朗特?cái)?shù)(11b)基于板式換熱器液冷熱端體的整體平均溫度計(jì)算。范寧摩擦系數(shù)也使用方程(12)計(jì)算。4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.31基準(zhǔn)測(cè)試案例之水?；鶞?zhǔn)測(cè)試是在PHE的冷熱兩端都用水作為測(cè)試液體進(jìn)行的。測(cè)試設(shè)置驗(yàn)證和比較了板式換熱器制造商(SWEP32)軟件(SSP G734) 的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在熱端流量和溫度實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)變化來(lái)，雷諾數(shù)從700到2700,普朗特?cái)?shù)從3到6。在冷端保持著幾乎相同的流動(dòng)條件生成一個(gè)相對(duì)恒定的對(duì)流傳熱系數(shù)。這有助于隨后通過(guò)Wilson plot的方法決定對(duì)流傳熱系數(shù)?；鶞?zhǔn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示，板式換熱

22、器的傳熱速率和整體傳熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用在4.2節(jié)提出方程式(6)-(11)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都非常接近使用建模軟件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置得出的預(yù)測(cè)。SWEP模型預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的傳熱率誤差是:最低-0.57%,最高1.9%,平均為0.40%。SWEP模型預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的整體傳熱系數(shù)誤差:最低-1.09%,最高2.82%,平均:0.61%。4.3.2納米流體測(cè)試由于在我們的文獻(xiàn)回顧發(fā)現(xiàn)，對(duì)板式換熱器中預(yù)測(cè)的幾種納米流體的努賽爾數(shù)和摩擦系數(shù)到目前為止沒(méi)有完善的相關(guān)性存在。眾所周知納米流體研究中可以通過(guò)一個(gè)濃度非常稀的納米顆粒增強(qiáng)表現(xiàn)出最好的導(dǎo)熱系數(shù),而不是增加粘度到一個(gè)高的值。此外,

23、緊湊熱交換器狹窄的通道可能增加納米粒子的聚集,容易堵塞。因此,作者開(kāi)始時(shí)用的氧化鋁粒子分散于EG/ W的混合物的體積濃度非常稀(0.5%)。選擇氧化鋁用于增強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)而不過(guò)高的增加粘度。4.3.3制備的納米流體的特征氧化鋁納米流體購(gòu)自Alfa Aesar 35，質(zhì)量為50%的水性懸浮體，平均粒徑為45 nm。納米流體進(jìn)行超聲波破碎分兩個(gè)階段。在第一個(gè)階段中，用Branson超聲儀在40千赫茲的頻率和185W的功率對(duì)濃縮納米流體母液（制造商原始流體）進(jìn)行超聲處理。納米流體母液經(jīng)受3次每次2個(gè)小時(shí)的持續(xù)的超神波破碎。這個(gè)過(guò)程分解由于長(zhǎng)期存儲(chǔ)而凝聚的粒子。測(cè)試主回路設(shè)置的流體的體積的約2.5 升。使

24、用氧化鋁粒子的密度3600 kg / m3，比例為60:40的EG/ W在25室溫時(shí)為1081 kg / m3, 要計(jì)算添加多少的質(zhì)量的濃縮母液體能配出2.5升體AL2O3體積濃度為0.5%的以EG/w為基礎(chǔ)液的流體。接著，使用精密電子裝置進(jìn)行質(zhì)量平衡，用吸移管將納米流體液滴加入到試管中測(cè)量濃縮母液流體的精確質(zhì)量。 將這種精確計(jì)量的濃縮納米流體小心地加入到該EG/ W為60:40的基礎(chǔ)流體中。在第二階段, 在瓶里這些稀釋的納米流體用超聲發(fā)生破碎器三個(gè)小時(shí),已是足以打破凝聚粒子。然后將被稀釋的納米流體的一個(gè)小樣本置于透射電子顯微鏡(TEM)下檢查。圖5顯示了TEM下納米流體的形狀。粒子的完美的球

25、形，大小在10納米到90納米之間。從粒度分布來(lái)看,平均粒徑為45 nm證明制造商似乎是正確的。沒(méi)有觀察到納米顆粒的結(jié)塊。聲波降解法和產(chǎn)品描會(huì)出現(xiàn)在進(jìn)一步納米流體制備過(guò)程的細(xì)節(jié)里。循環(huán)的熱端充滿納米顆粒，流動(dòng)的雷諾數(shù)范圍從150到750。在不同雷諾數(shù)時(shí)的測(cè)量傳熱率和總傳熱系數(shù)繪制在圖6。接下來(lái),使用SWEP軟件和納米流體的熱物理性質(zhì),我們計(jì)算了傳熱速率和總傳熱系數(shù)。盡管SWEP軟件是為單相液體而開(kāi)發(fā)的,近年來(lái)重要的研究表明,低濃度納米流體也可以用單相理論建模。在圖6中,結(jié)果顯示傳熱率和總傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和SWEP模型獲得的預(yù)測(cè)值很契合。傳熱率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和SWEP預(yù)測(cè)值之間的溫差:最低-0.70

26、%,最高-0.26%,平均:-0.47%,總體傳熱系數(shù)的誤差是:最低-0.34%,最高0.91%,平均:0.68%。4.3.4努賽爾數(shù)的相關(guān)發(fā)展從上一節(jié)實(shí)驗(yàn)和SWEP模型預(yù)測(cè)在圖6上的契合，似乎有一個(gè)相關(guān)性可以同時(shí)適用于單相流體以及低濃度納米流體。 因此，我們使用從水和Al2O3實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)給定的板式熱交換器的單一的初步的相關(guān)性。 努賽爾數(shù)相關(guān)性用Wilson繪制法來(lái)實(shí)現(xiàn)。威爾遜繪制法是由Shah37、Muley和Manglik38三人解釋并已應(yīng)用在PHE上。 板式換熱器沒(méi)有考慮污垢熱阻時(shí)的總傳熱系數(shù)和傳熱系數(shù)的方程(13)。大多數(shù)相關(guān)性將努塞爾數(shù)定義為雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)之間的一個(gè)冪律關(guān)

27、系，得到式（14）用公式（15）來(lái)定義努賽爾數(shù)，用公式（14）和（16）我們可以消除努賽爾數(shù)?，F(xiàn)在，合并式（13）和式（16）得到式（17）我們使用MATLAB的非線性曲線擬合功能nlinfit確定曲線擬合常數(shù),C1,C2,C3。從歷史上努賽爾數(shù)與內(nèi)部流動(dòng)的相關(guān)性已經(jīng)注意到，雷諾數(shù)C2的指數(shù)在0.6和0.8之間變化和普朗特?cái)?shù)C3的指數(shù)在0.3和0.5之間變化。 與這些建議的限制，掃描執(zhí)行過(guò)的和所有被確定的系數(shù)后判定圖7中所示的數(shù)據(jù)的最佳系數(shù)為R2 =0.9924。 相關(guān)性,式(18) 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有良好契合。相比之下,我們從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中為板式換熱器提出了相關(guān)性在形式上與?？说热?7的相關(guān)性類

28、似,在后面的一節(jié)中的式(31)中列出。板式換熱器的V型角是制造商的專有信息，板式熱交換器這個(gè)數(shù)字可以在30°和60°之間變化。我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Focke等人制作的圖7中都顯示V型角為45°，這樣我們相信我們的PHE的V型角也可能是45°，我們將這個(gè)數(shù)值列在了表3上。4.3.5摩擦系數(shù)相關(guān)性的發(fā)展使用差壓測(cè)量相關(guān)摩擦系數(shù)。壓差傳感器連接到板式換熱器的進(jìn)出口兩端的管道上,也包含了為便于拆除而安裝的快速連接配件和進(jìn)、出口管口。因此,測(cè)量包括板式換熱器的壓力損失、管口和可快速連接的配件。進(jìn)出口管口的壓力損失很容易通過(guò)減去(19a)-(19b)提出的壓力損失而得到

29、。然而,可快速連接配件的壓力損失是粗略估計(jì)的,導(dǎo)致我們的壓力損失測(cè)量顯示值僅僅高于板式換熱器的壓力損失值。范寧摩擦系數(shù)用式(12)計(jì)算。圖8顯示的摩擦系數(shù)的相關(guān)性公式(20),顯示了比SWEP預(yù)測(cè)模型在較低雷諾數(shù)預(yù)測(cè)的值高，但是雷諾數(shù)的增加符合他們預(yù)測(cè)。我們相信這是由于錯(cuò)誤的估計(jì)了在連接配件損失。傳統(tǒng)Blasius類型的相關(guān)匹配形式的與負(fù)指數(shù)雷諾數(shù)關(guān)系和它從SWEP模型得到的結(jié)果趨勢(shì)是相似的。4.3.6傳提高熱系數(shù)式（18）是雷諾數(shù)相關(guān)性發(fā)展的，基于雷諾數(shù)恒定的情況下比較基礎(chǔ)液體（EG/W）和濃度為0.5%的Al2O3納米流體的對(duì)流和總傳熱系數(shù)。圖9顯示了在一個(gè)雷諾數(shù)給定的情況下，氧化鋁納米流

30、體增加了基礎(chǔ)流體的熱力性能。對(duì)流傳熱系數(shù)增加值:最低9.18%,最高11.09%,平均10.35%,而總體傳熱系數(shù)增加值:最低3.30%,最高4.85%,平均3.98%。4.3.7分析測(cè)量的不確定性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)錯(cuò)誤比如：熱流量（Q）、總體傳熱系數(shù)（U）、雷諾數(shù)（Re）、普朗特?cái)?shù)（Pr）、努賽爾數(shù)（Nu）、摩擦系數(shù)（f），估計(jì)與使用了不準(zhǔn)確的列在表4中的個(gè)體測(cè)量有關(guān)。測(cè)量參數(shù)的不準(zhǔn)確性:體積流量、溫度、壓力、從傳感器制造商那里得到的規(guī)范和那些SWEP提供的板式換熱器的尺寸規(guī)格。(氧化鋁0.5%)熱物理性質(zhì)的不確定性是引用早前論文的納米流體屬性部分。表4中的質(zhì)數(shù)表示比率為 x ' =x

31、/ x。正如懷特19為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性做的解釋，如果P是變量x的等式冪律表達(dá)，式（21A），則P的不確定度可以計(jì)算為等式（21b）給出的所有其他不確定性的平方根的均值。 誤差的計(jì)算結(jié)果:雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù),努塞爾特?cái)?shù),和摩擦系數(shù)分別為5.34%,6.28%, 6.43%和3.27%。5.主動(dòng)熱控制系統(tǒng)(ATC)在介紹部分，圖1為 NASA未來(lái)飛船的冷卻ATC系統(tǒng)。船員艙室、電池和電子設(shè)備的熱量估計(jì)約為2.5千瓦。丙二醇/水(PG / W)冷卻劑收集的熱量通過(guò)熱交換器的內(nèi)部循環(huán)轉(zhuǎn)移給HFE - 7000液體。HFE - 7000液體循環(huán)通過(guò)位于航天器的表面的散熱器, 通過(guò)輻射將熱量消散到太空,航

32、天器表面可能像-100一樣冷。我們的研究集中在對(duì)傳熱能力和所需的泵功率有利的方向,可以通過(guò)在冷卻劑循環(huán)兩端引入納米粒子，再通過(guò)一系列的計(jì)算來(lái)比較緊湊式換熱器的內(nèi)部循環(huán)性能。在文獻(xiàn)中沒(méi)有提供PG / W納米流體的熱物理性質(zhì)。因此,我們使用可用的相關(guān)聯(lián)的EG/ W納米流體做后續(xù)分析。雖然與PG / W 納米流體的熱物理性質(zhì)不同, 兩種基礎(chǔ)液體都起源乙二醇，所以總體趨勢(shì)和性質(zhì)應(yīng)該是似類似的。 此外, 目前仍在繼續(xù)完善PG / W納米流體的相關(guān)性,可以很容易地重復(fù)這里提供的計(jì)算以改善結(jié)果。NASA的內(nèi)循環(huán)緊湊熱交換器不可用,因?yàn)樗且粋€(gè)專有的設(shè)計(jì)。因此,我們?cè)谒奈恢蒙鲜褂昧薙WEP B5H緊湊板式換

33、熱器,其幾何參數(shù)已在表3列出。進(jìn)氣溫度和總散熱已經(jīng)與NASA的ATC的要求相匹配。質(zhì)量流率和PHE的通道數(shù)量已經(jīng)修改完成以滿足2.5千瓦的總散熱需求。用于滿足ATC循環(huán)的熱負(fù)荷的參數(shù)總結(jié)列于表5。這些值將用于分析確定前面敘述過(guò)的基礎(chǔ)流體(EG/ W,hfe - 7000)和Al2O3、CuO、SiO2三種不同的納米流體的熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)性能。6. 熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算6.1 數(shù)值方案的評(píng)價(jià)分析PHE的數(shù)值方案使用王等人9概述的單位傳熱法的有效數(shù)字，通過(guò)Matlab編程來(lái)比較三種納米流體和基礎(chǔ)流體在三種不同條件都相同的情況下的性能:(i)質(zhì)量流率,(ii)傳熱率和(iii)泵功率。其中一個(gè)方

34、案見(jiàn)圖10。通常一個(gè)迭代過(guò)程不需要使用-NTU方法,但用了的話能更精確的算出平均流體性的質(zhì)值，使用公式（22）值來(lái)確定出口溫度。Vajjha和Das36 對(duì)在圓管內(nèi)流動(dòng)的納米流體的傳熱和泵功率的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了全面的理論分析。他們的目標(biāo)是確定粒子體積濃度的影響。他們發(fā)現(xiàn)粒子添加到基礎(chǔ)流體后導(dǎo)熱系數(shù)增加,對(duì)流傳熱系數(shù)增加，但是也增加了粘度,因此泵功率增加。從他們的權(quán)衡分析,他們發(fā)現(xiàn)體積濃度在1%左右稀納米流體對(duì)增加傳熱有益，而且增加的泵率不明顯。因此,我們?cè)诎迨綋Q熱器熱端循環(huán)采用體積濃度為1%的不同的納米流體以分析比較他們的性能。6.2板式換熱器的方程采取王等人提出的方程執(zhí)行PHE的熱力學(xué)與流體動(dòng)

35、力學(xué)分析。 熱容量熱容比總傳熱系數(shù)傳熱單元數(shù)逆流換熱器效率換熱量壓降范寧摩擦系數(shù)確定使用相關(guān)方程（32）。泵功率計(jì)算PHE冷熱兩端的對(duì)流傳熱系數(shù)和摩擦系數(shù),認(rèn)為wang等人9基于單相液體提出的一些相關(guān)性對(duì)納米流體數(shù)據(jù)是不可用的。這本書包含一些相關(guān)的研究人員,包括如Focke17、Muley、Manglik38。將?？说热颂峁┝死字Z數(shù)從150到20000連續(xù)的相關(guān)性與,Muley和Manglik提供的在Re>1000時(shí)有效的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比。在我們運(yùn)行參數(shù)時(shí)不同基礎(chǔ)液體和納米流體的雷諾數(shù)有時(shí)跌破1000而且在很廣的范圍內(nèi)變化。因此,?？说热诉B續(xù)統(tǒng)計(jì)了所覆蓋的所以有雷諾數(shù)的相關(guān)性數(shù)值涵。Foc

36、ke17等人提出的V型角= 45°的相關(guān)性列在下面。6.3流體性能的技術(shù)性分析在前面的部分提出了基礎(chǔ)液體和納米流體的流體性質(zhì)評(píng)估他們的體積平均溫度的相關(guān)性。表6所示為與基礎(chǔ)液相比納米流體顯示的正確的趨勢(shì),更高的密度,較低的比熱,高粘度和高導(dǎo)熱6.4基于相同的質(zhì)量流率的性能比較表7的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)熱端質(zhì)量流率為0.2Kg/ s的四種流體的分析結(jié)果，四種不同的液體為：（i）基礎(chǔ)液EG/W(i)、(ii)1%的Al2O3,(ii)1%CuO, (iv) 1%SiO2,t他們都分散在EG/W中。這個(gè)大膽的術(shù)語(yǔ)描述了納米流體和基礎(chǔ)液之間比較的關(guān)鍵性能。冷端流體HFE - 7000的質(zhì)量流量保

37、持在0.1kg/ s。冷熱流體的入口溫度通過(guò)ATC循環(huán)保持不變。大約2.5千瓦的熱量通過(guò)板式換熱器轉(zhuǎn)移。從表7觀察, Al2O3、CuO和SiO2納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)于基礎(chǔ)液分別增加4.75%,3.98%和2.25%。還有在同樣數(shù)量的熱量轉(zhuǎn)移情況下所有納米流體的體積流量與基礎(chǔ)液相比都減少了,CuO產(chǎn)生了4.78%的最大降幅。相比基礎(chǔ)液只有CuO的泵功率減少了1.73%。納米流體產(chǎn)生的整體傳熱系數(shù)(U)輕微的增加(少于1%)是能被注意到的,盡管它不像對(duì)流傳熱系數(shù)增加得納米高。納米流體還在特定泵功率(泵功率/NTU)CuO下展示出的泵功率低于基礎(chǔ)液的消耗。事實(shí)是由于冷流體HFE - 7000

38、低的對(duì)流傳熱系數(shù),與熱流體側(cè)相比接近1 - 4,使冷流體側(cè)熱阻成為主導(dǎo)。進(jìn)一步優(yōu)化冷端流體提高對(duì)流傳熱系數(shù)會(huì)使納米流體的性能更好。6.5基于相同的散熱性能比較數(shù)值化方案1.假設(shè)納米流體和基礎(chǔ)液有相同的質(zhì)量流量2.使用6.1節(jié)中的分析計(jì)劃概要。3.確定納米流體單位質(zhì)量流率的平等傳熱:Qbf =(mCpT)nf4.重復(fù)過(guò)程(1 - 4),直到質(zhì)量流率沒(méi)有明顯的變化表8總結(jié)板式換熱器的散熱時(shí)保持常數(shù)為2.56千瓦的計(jì)算結(jié)果的案例。使用Al2O3和CuO納米流體使傳熱系數(shù)分別增加3.53%和3.73%。在同等傳熱量下相比與基礎(chǔ)液，兩個(gè)納米流體的體積流量分別減少了5.30%和4.84。相同數(shù)量的傳熱,與

39、基礎(chǔ)流體相比氧化鋁納米流體降低泵功率4.72%而CuO納米流體降低泵功率3.01%。三個(gè)種納米流體表現(xiàn)出泵率較低的特性分析證明了納米流體比基礎(chǔ)液體顯示了更好的性能,將交換等量的熱量而泵功率較低。也可以看出SiO2納米流體性能不如其他兩個(gè)納米流體,因認(rèn)為此SiO2不會(huì)被是進(jìn)一步分析。6.6在泵功率相同的基礎(chǔ)上比較性能1.假設(shè)納米流體和基礎(chǔ)流體的熱面積/長(zhǎng)度相同2.使用6.1節(jié)中的分析計(jì)劃概要。3.確定與基礎(chǔ)液傳熱速率相同所需的傳熱面積：NTUbf =（UACmin）nf4.給根據(jù)新的傳熱面積,計(jì)算所需的換熱器長(zhǎng)度。5.計(jì)算同等泵功率下納米流體能達(dá)到的最大質(zhì)量流率通過(guò): Wbf = （V·

40、;P）nf6.重復(fù)分析(1 - 5),直到?jīng)]有明顯的長(zhǎng)度和流量的變化表9中的分析是使用表7和表8中相同泵功率為0.568 w轉(zhuǎn)移了2.56千瓦的熱量而獲得的。由于(HFE)冷端的高熱阻,增加熱側(cè)的傳熱系數(shù)高達(dá)5%也不會(huì)顯著減少面積（< 1%)。Al2O3納米流體傳熱系數(shù)增加約4.75%。 CuO納米流體體積流率減少3.74%而的整體傳熱系數(shù)略有增加,不到1%,所有三個(gè)納米流體所需的傳熱面積也有輕微的減少。 如果冷端的傳熱系數(shù)(hfe - 7000)可以增加,那么整體傳熱系數(shù)可以進(jìn)一步增加,這將會(huì)進(jìn)一步減少所需的傳熱面積。6.7 HFE - 7000摻雜前后性能比較納米粒子使用HFE - 7000以來(lái), 我們之前所有的計(jì)算仍將換熱器冷端的它視為一種基礎(chǔ)液來(lái)對(duì)待,一項(xiàng)摻雜Al2O3納米顆粒濃度為1%的調(diào)查這表明現(xiàn)在能整體提高性能的三種納米顆粒出前了。們使用的熱物理性質(zhì)方程提出了用EG/的W納米流體代替HFE 7000的屬性。這是因HFE 7000的納米流體的相關(guān)性還沒(méi)有被開(kāi)發(fā)出來(lái)。據(jù)了解,計(jì)算最終結(jié)果(表10)可能不是精確的,但可能提供了一個(gè)近似的趨勢(shì)。最后三列顯示基于相同的(a)質(zhì)量流率下,傳熱速率(b)和(c)泵功率的比較,在熱端都是EG/ W。在2.56KW的傳熱下,表明通過(guò)摻雜hfe - 7000我們可以減少換熱