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Al2O3/水纳米流体在空调冷凝器中性能的实验研究
A.S.Manirathnam a, K.Senthil Kumar a, R.Prabhu b, M.Sivashankar c, N.Hariharan d
aDepartment of Mechanical Engineering, Sri Krishna College of Technology, Coimbatore, India
bDepartment of Mechanical Engineering, Dhanalakshmi Srinivasan College of Engineering, Coimbatore, India
cDepartment of Mechanical Engineering, NSN College of Engineering and Technology, Karur, India
dDepartment of Mechanical Engineering, Jairupaa College of Engineering, Tiruppur, India
文章历史：2020年2月11日收到，2020年3月28日收到修改稿，2020年4月1日接受，2020年4月23日发表
摘要：在本研究中，制备了以水为基液的含有不同浓度(体积占比1%、2%、3%和4%)纳米颗粒(Al2O3)悬浮液的纳米流体。将纳米流体作为空调冷凝机组的冷态流体，对其传热特性进行了研究。实验结果强调，由于纳米颗粒的存在，冷流体的换热率提高了1.77-37.35%。传热系数随基液中纳米颗粒体积浓度的增加而增大。
- 引言
通过创新的技术来获得空调的紧凑性。在换热器尺寸较小、热量较高的空调系统中，传热流体是保证冷凝机组紧凑性的关键。但传统的传热流体，如空气、水、乙二醇等类型的流体导热性较差。为了获得较高的传热率，采用了几种技术。提高流体传热效率的创新方法之一是在基液中散射金属氧化物颗粒，金属和金属氧化物的导热性优于基液。但由于堵塞问题，在基液中使用金属颗粒是不可能的。现代技术有助于纳米颗粒的合成；纳米颗粒在基液中的扩散显著提高了基液的热性能（图1和表1）。
阿贡国家实验室的Choi提出了纳米流体这一术语，他是第一个在基液中使用纳米颗粒悬浮液并显示出热导率显著增长的人。纳米流体的存在改变了流动结构，除了导热系数增加外，纳米颗粒在基液中的散射降低了基液的热阻。Tsai等人[2]指出，由于基液中金纳米粒子的结构特性的影响，不同的纳米粒子溶液的热管热阻在0.17-0.215K/W之间，结果表明纳米粒子溶液的热阻低于蒸馏水。Xuan和Li[3]指出，超细颗粒增加了基液的导热系数，也发现纳米流体与基液导热系数的比值在1.24-1.78之间变化。Hung等人[4]解决了利用纳米流体的高散热性能提高换热器容量的问题，实验结果表明，与水、空气、油等基础流体相比，纳米流体具有较高的热导率。在纳米颗粒质量分数高的情况下，消耗的泵送功率增加，换热最大增强率为40%。Yang和Lai[5]通过对Al2O3/水纳米流体在径向流系统中的冷却性能进行测试，得出相同泵送功率下纳米流体的热阻小于水的结论。纳米颗粒的形状、尺寸和性质是可能导致纳米流体导热性能增强的原因，在强化传热过程中具有很大的潜力。Ho等[6]通过实验研究了Al2O3/水纳米流体对微通道散热器的强制对流冷却性能，并指出热阻降低了25%。Leong等[7]研究发现，铜纳米颗粒浓度为1%时，纳米流体的对流换热系数和总换热系数分别比基流体高16.9%和9.5%。在模拟纳米流体操作壳管换热器时，换热器的热性能随冷却液质量流量的增加而增加。Wongcharee和Eiamsa-ard[8]研究表明，采用0.7%浓度的CuO/水纳米流体在装有螺旋丝锥的波纹管中，随着体积分数的增加，热性能得到提高，最大热性能系数达到1.57。基液中纳米粒子的存在降低了基液的热阻，从而提高了基液的传热速率。随着颗粒体积分数的增加，纳米流体的传热性能也开始提高。但同时由于纳米粒子在基体流体中的散射，使得基体流体的密度、粘度等一般特性得到提高，继续增加体积分数会导致压力损失，对泵送功率的要求较高。
Chandrasekar等[9]利用低浓度0.1%Al2O3/水的纳米流体在带线圈镶嵌的圆管中，在层流作用下，努塞尔数增加了12.24%，而纳米流体的压降没有显著增加。Pandey和Nema[10]对纳米流体作为波纹板换热器的冷却剂进行了实验分析，结果表明，纳米流体浓度越大，泵浦功率越大。Nguyen等[11]已经确定，随着粒子体积浓度的增加，传热速率增加到基础流体的40%，粒子尺寸较小的纳米流体提供了较高的传热速率。Yang等人[12]研究发现，纳米颗粒可以提高流体系统的传热速率，这取决于纳米颗粒的类型、基础流体化学和工艺温度因素。Kayhani 等[13]在研究Tio2纳米流体的对流传热和压降之前，已经获得了努塞尔数目增加达8%的结果，并得出结论: 纳米颗粒的存在并没有导致压降的增加。在0.135%体积浓度的Al2O3/水纳米流体条件下，Fotukian和Esfahany[14]得出在环形管内湍流流动时，与基流体相比，传热强化效果达到48%，压降提高30%。Peyghambarzadeh[15]等人在汽车散热器中使用1vol%的Al2O3/水纳米流体时，其传热性能比纯水提高了45%，并得出纳米流体的传热性能与颗粒浓度和流动条件密切相关的结论。Heris等[16]等研究了Al2O3/水纳米流体在恒定壁温边界的圆管层流中的传热性能，得出了纳米颗粒的分散和混沌运动、布朗运动和颗粒迁移等强化传热的结论。Li等[17]研究表明，纳米颗粒的悬浮显著提高了射流系统的换热速率，不同体积分数纳米颗粒的纳米流体对冲击射流系统的压降影响很小或几乎没有增加，传热系数随纳米颗粒直径的减小而增大。Sourtiji等人[18]已经实现水基Al2O3纳米流体在提高体积分数的同时强化了传热，纳米流体的粘度越大，基础流体中的纳米颗粒越多，压降系数越大。
从关键文献来看，纳米颗粒悬浮液在基液中具有较高的热性能，并且随着纳米颗粒的不断增加，压降越高(特别是超过体积分数的4%)。本文研究了空调冷凝器Al2O3/水纳米流体在不同流速下的传热性能，并与不同浓度纳米流体的水的传热结果进行比较。在本研究中，Al2O3 纳米颗粒在基础液体中的浓度从1%到4%。
图1.实验装置的布局
表1.管式冷凝器的管道规格
2．纳米流体制备
2.1 准备
Choi等人(1995)首先通过将纳米颗粒与流体混合来制备纳米流体。从那以后，纳米流体的合成技术得到了迅速的发展。然而，目前还没有一种标准的纳米流体制备方法。不同的研究用不同的方法制备纳米流体。获得纳米流体有两种基本方法
2.1.1 分两步进行
Granqvist和Buhrman (2000)发现了两步法。首先，纳米颗粒以干粉的形式生产，通常是通过惰性气体冷凝。第二步是将干燥的纳米颗粒粉末分散到基础流体中，如水、油或乙二醇。 Romano等人(2012)报道称，两步法的优点是惰性气体冷凝技术已被扩大到商业纳米粉末生产。这种方法的一个不足之处是，纳米粉末在基液中储存和分散时，特别是与较重的金属纳米颗粒一起储存和分散时，有团聚的趋势。表面活性剂和其他表面稳定添加剂可用于实现更均匀和更稳定的悬浮液。除了机械混合之外，超声混合器还可以用来分解团聚体，并利用湿法技术提供更均匀的分散体，一步法正在成为制备不同金属、半导体、非金属和混合体系纳米结构的有效方法。激光烧蚀是另一种备受追捧的单步技术，它可以同时直接在基液中制造和分散纳米颗粒。采用激光烧蚀方法制备了浸没在基液(水、润滑油等)中的固体金属、半导体等纳米流体。通过这种方式制备纳米流体，不需要使用任何改变性质的分散剂就可以得到稳定的纳米流体。这种方法也有助于进一步分解纳米流体中的纳米颗粒，以研究颗粒大小对热导率的影响。 A.k. amp; Raykar等(2001)提出了另一种基于微波辐射的纳米流体合成方法，是一种快速的纳米流体合成方法。Lo 等人使用分合并电弧纳米合成系统(SANSS)制备纳米流体。
- 实验装置
为了分析纳米流体(Al2O3/水)在空气调节系统空调冷凝器(管内冷凝器)机组中的性能，设计并搭建了纳米流体(Al2O3/水)的实验装置。实验装置由两个流量回路组成，包括温度和流量测量单元、冷却段和流量控制系统。在一个回路中进行正常的空气调节循环，在另一个回路中冷却液(Al2O3/水纳米流体)流过冷凝器管道。热流体通过内管，冷流体通过外管。外管是隔热的。在空气调节系统中，采用 R410A 制冷剂作为热流体，Al2O3/水纳米流体作为冷流体。采用1台流量范围为0-400 lit/h的旋转流量计测量冷态流体的流量，采用4台RTDpt 100型旋转流量计测量冷、热态流体的入口和出口温度，并在壁面焊接RTD以保证边界处的等温条件。冷却装置用于给冷流体提供初始冷却，并持续地从冷流体中去除热量。离心泵用于冷流体沿管道的循环。3.1 数据分析
纳米流体通过管道的传热性能是根据对流传热系数定义的。通过下面的方程得到了纳米流体的对流传热系数和努塞尔数
利用seder-tate方程对实验结果与理论结果进行了比较。式中纳米流体对流传热的强化是由于热导率的增加，如下所示。
Renf和Prnf分别为纳米流体雷诺数和普朗特数，定义如下
用于纳米流体的物理性质是根据水和纳米颗粒在平均体温下的性质使用以下相关性计算的[19,21]。
式中n为固体颗粒形状因子，用n = 3计算球形颗粒的纳米流体导热系数。计算了纳米流体在平均温度下的流变性能和物理性质。计算了不同浓度下的努塞尔数和对流换热系数。计算得到的传热系数、努塞尔数和雷诺数的不确定度分别为1%、2%、3%和4%。
- 实验结果
为了验证实验测量的可靠性和正确性，对纯净蒸馏水进行了实验研究。实验结果与湍流Seidar-Tate相关(Eqn.3)的预测结果进行了比较。图2显示了本研究结果与蒸馏水Seider-Tate方程的努赛尔数的比较。实验数据与Seidar-Tate方程较好地吻合。
以1%、2%、3%和4%体积分数的Al2O3纳米颗粒水作为空调冷凝机组的冷却液。试验中，Renf和Prnf分别为纳米流体雷诺数和普朗特数，定义如下
在不同浓度下，流量在2.5lpm和5lpm之间变化。图3显示了水和不同浓度的纳米流体作为冷却剂的传热速率随雷诺数的变化。结果表明，与纳米流体相比，水作为冷却剂的传热速率最低，且随着浓度的增加，纳米流体的传热速率增加。如图所示，在1.77%ー37.35%的流动范围内，纳米流体的传热速率大于水
用于纳米流体的物理性质是根据平均体温下的水和纳米颗粒性质使用
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