潘继仁+++李国祥
摘 要：采用对照试验法探索CU水纳米流体传热的特性。纳米流体强化传热的主要原因除了在液体中添加纳米粒子，增加了液体的热容量、导热系数外，粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，也使传热增强，而且由于纳米粒子的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会像毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。[1]纳米粒子的浓度不同导致流体内粒子数不同，粒子与粒子间相互作用增强，从而使换热增强。
关键词：纳米流体；对比试验；强化换热
1 概述
纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或者金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质。作为一种高效的热交换介质，纳米流体是一个具有重大研究价值的领域。与在流体中添加毫米或微米级粒子相比，纳米流体在强化换热方面有着更大的前景。
此次實验是为了验证Cu水纳米流体具有高效导热性能，证明其在大型空调设备中有应用的可能。在空调系统中，通过制冷机组的运转，进入蒸发器内的制冷剂蒸发而吸热，当通入蒸发器内冷水即很快在蒸发器内进行热量交换，热量被制冷剂吸收，温度下降成为冷冻水。然后冷冻水再通过空调设备中的表冷器与被处理的空气进行热交换，使空气温度降低。而在这一种制冷循环和热量交换过程中，其冷量的这种远距离的传递而达到空调系统中空气降温要求，必须有水和空气为冷媒。冷媒在冷却空调系统中，用于传递热量，产生冷冻效果，是一种中间物质。在实际系统之中，冷媒先接受制冷剂冷量而降温，再去冷却其他的被冷却物质，其导热性能至关重要。[2]
2 纳米流体换热性能实验模型
图1所示，纳米流体的传热换热对比实验测试装置是一个流动的循环系统，它是由热源水箱、水泵、管路、冷却水箱、散热器等实验要素组成。
本次实验的目的是验证Cu水纳米流体较水具有更好的导热性能。
热源水箱和冷源水箱用来储放并观测纳米流体在试验中的悬浮情况；散热器是一个可调节风扇，用于保持对比实验时对冷却水箱持续稳定的风冷；主流路中的两个小泵浦保证系统处于一个流动循环状态。
小组成员实验前搭建了器材，将两个水箱分别设置为冷却水箱和热源水箱，将恒温加热器固定于热源水箱内，且设置好实验所需温度（32℃）。
在泵浦上分别连接进水管与出水管，进水管连接热源水箱，出水管连接冷却水箱。用一根长水管连接热源水箱与冷却水箱。在泵浦出水管与长水管上分别用胶布黏贴固定工业温度计。
实验开始前，保持通风状态，测量环境温度（12℃）。
对照组：将水倒入两个水箱之中，并且接通加热器与泵浦电源。开启泵浦，让系统中的水处于稳定流速的流动状态。开启恒温加热器，让加热器加热使热源水箱温度升高直至稳定。将风扇置于冷却水箱处，开启风扇实现稳定的风冷。待系统稳定后，观察两根工业温度计的读数，当温度计中水银液位稳定时，读取示数，记录实验数据。
实验组：将水倒入两个水箱之中，在热源水箱中投入相应量的纳米Cu粉，配成Cu纳米悬浮液，加入一定量分散剂（0.07%SDBS），其余实验步骤与对照组相同。
3 实验结果与讨论
3.1 导热效率
实验中分别测量了0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的水-Cu纳米流体在相同的循环系统中，以同样的流速下的散热温差。
冷却水箱装水：6L、热源水箱装水：6L、环境温度：12℃、电加热恒温器设置温度：32℃
实验组1不加入纳米铜，为对照组、实验组2加入了25g纳米铜（质量分数为0.2%）、实验组3加入了50g纳米铜（质量分数为0.4%）、实验组4加入了75g纳米铜（质量分数为0.6%）、实验组5加入了100g纳米铜（质量分数为0.8%）。对照组的导热介质为水，实验组是加了纳米铜的导热介质。
Cu纳米流体与水导热性能测定实验数据整理表
在恒温加热器的作用下，同一温度热源水箱中的水流经冷却器之后，由于冷却介质的不同，冷却效果不一样。冷却器进出口的工业温度计的温差来反映了冷却效果的好坏。从实验数据的表格中可以看出，在液体中添加纳米粒子增大了液体的导热系数，Cu水纳米流体具有更好的导热性能，Cu水纳米流体实验组经过冷却器后进出口温度计的温差更大，即冷却效率更高。例如，在水中添加了75g的纳米铜之后（0.6%纳米铜质量分数）与对照组相比，效率提高了。
3.2 质量分数对纳米流体导热系数的影响
图2展示了Cu-水纳米流体实验温差随质量分数的变化。从实验折线图中发现，加入纳米铜之后流体的导热系数并不是随着纳米铜质量分数的增加而一直增加。
由图2可以发现，纳米铜水流体在质量分数为0.6%时，导热效率最佳，提升最为明显。而质量分数为0.8%的纳米流体相对导热效率较小。可能是因为纳米粒子的质量分数过高，导致纳米流体的黏度过大，在流速比较低的情况下，导热效率受限。并且在0.8%浓度下，纳米颗粒相对于低浓度的纳米流体，更易发生沉淀现象，会有部分纳米颗粒沉积到水箱底部。
4 结束语
本实验中，通过利用水，不同浓度的Cu-水纳米流体对比了纳米流体的导热效率。实验中可能存在一定的误差，由于小泵浦持续的运行，电能转为电能和热能。小泵浦发热影响到水箱中水的温度，从而影响温度计的示数。
经过此次实验，证明了Cu水纳米流体较水而言的确有更好的导热性能，但在实验过程中，也发现存在两个问题。
（1）冷媒在冷冻循环系统中，冷媒应只有物理变化，而无化学变化，不起分解作用。但是Cu水纳米流体的化学性质不稳定，纳米铜遇氧易氧化。
（2）Cu水纳米流体的分散稳定性能。由于实验时，整个系统并不是完全封闭的，并且系统中的所有的纳米铜不是一直在流动的，纳米胶体是含有固体粒子的多相体系，存在界面能作用[3]，因而是热力学不稳定体系；粒子间有相互团聚而降低其界面能作用，因而是热力学不稳定体系。实验中发现随着实验时间的增加，会有部分的纳米铜聚集，沉积在角落。
纳米铜的确能提高导热效率，在大型空调设备中有应用的潜力，但在实际方面运用方面，需进一步验证。
参考文献
[1]宣益民，李强.纳米流体强化换热研究[J].工程热物理学报，
2000，21（4）：466-470.
[2]冷媒水和冷却系统[EB/OL].互联网，2012-2-10.
[3]林 ，方利国.纳米流体强化换热技术及其应用新进展[J].化工进展，2008（4）：488-494.
