翟郑佳 李坦 朱恒宣 杨历 王进

摘要 对在家用电加热器中使用的4种纳米流体进行对流换热实验研究。采用两步法制备纳米流体，研究不同材料（MgO、SiO2、Al2O3和CuO）和不同浓度（质量分数为0.2%～1.0%）的纳米流体对电加热器换热效率的影响。结果表明，电加热器翅片温度对环境温升影响较大;纳米流体浓度相同时，MgO流体的换热效率最高，SiO2流体的换热效率最低，且电加热器的换热效率随纳米流体浓度的增大而增大;与基液相比，质量分数为1.0%的MgO流体可使环境温度提升约30%。

关 键 词 纳米流体;电加热器;自然对流;强化传热

中图分类号 TM924.2     文献标志码 A

Abstract This research aims at the natural convection in electric heaters filled with nanofluids. The effect of four nanofluid materials （MgO， SiO2， Al2O3 and CuO） and various nanoparticle concentrations （mass fraction is 0.2% -1.0%） on heating efficiency of electric heater were studied， and results show that temperature of the fin has great effect on environment temperature. At the same nanoparticle concentration， MgO-water nanofluid has the highest heating efficiency， whereas SiO2-water nanofluid is the lowest one. Moreover， the heating efficiency of the electric heater increases with the increase in nanofluid concentration. So it is found that the MgO-water nanofluid with a mass fraction of 1.0% obtains about 30% enhancement of heat transfer on the environment temperature.

Key words nanofluid; electric heater; natural convection; heat transfer enhancement

0 引言

近年来科学技术迅猛发展，能源需求量大幅增加。电加热器正朝着高效低阻紧凑的方向发展，传统的换热工质（去离子水）已经无法满足使用需求，研制导热系数高、换热性能好的新型换热工质至关重要。纳米流体是将金属或非金属粉末分散到水、醇、油等传统换热工质中，提高流体导热性能的新型换热工质。纳米流体在强化传热的领域有广泛的应用前景，尤其是在能源、汽车、医疗、化工和微型电子等领域。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等[1]首先提出纳米流体的概念。大量研究表明，在液体中加入纳米颗粒后，能显著提高液体的导热系数和换热性能。李强等[2]研究了Cu-水纳米流体随体积分数变化时，对管内对流换热系数和阻力的影响。结果表明，与纯水相比，体积分数为0.5%～2.0%的Cu-水纳米流体的对流换热系数增大的比例为1.037 ～ 1.548。Selvam等[3]研究了石墨烯-水纳米流体体积分数为0.1%～0.5%时对汽车散热器散热效果的影响。结果表明，当石墨烯-水纳米流体体积分数为0.5%、流速为100 g/s、进口温度从35～45°C变化时，石墨烯-水纳米流体的对流换热系数分别提高了20%和51%。李诚展等[4]研究了SiC-水纳米流体体积分数为0.005%、0.01%和0.1%时，在3种不同微翅片扁管中的流动与换热特性。结果表明，在不同种管道内强化换热效果随SiC-水纳米流体浓度的增加而较小。Hussein等[5]分別用实验和数值计算的方法对强制对流下SiO2-水纳米流体在汽车散热器中的换热特性进行了研究。结果表明，体积分数为1%的SiO2-水纳米流体与纯水相比可使汽车散热器的散热效率提高50%。张冀等[6]研究了TiO2-水、SiO2-水和Cu-水纳米流体在小通道平行流扁管中的换热特性。结果表明，与水相比不同体积分数的纳米流体的努塞尔数均增大，体积分数为0.01%的TiO2-水纳米流体在Re为6200时努塞尔数增大了43%。Tijani等[7]运用实验和数值计算的方法研究了水/乙二醇基Al2O3和CuO纳米流体作为汽车散热器冷却剂的传热特性。结果表明，不同浓度的纳米流体的传热性能均好于基液，且水/乙二醇基CuO纳米流体的导热系数、努塞尔数和传热速率均大于水/乙二醇基Al2O3纳米流体。

除了上述纳米颗粒种类外，国内外学者对其他种类的纳米流体也进行了大量研究。本文运用实验的方法对比研究了4种纯水基纳米流体在不同浓度下对电加热器换热效率的影响，目的是改善电加热器加热效率低和能源利用率低的问题。

1 纳米流体强化传热计算分析

1.1 几何模型

为了研究电加热器中纳米流体强化传热的机理，本文将其加热棒附近区域简化成二维圆环封闭腔进行研究，在2个圆环中间充满纳米流体。其中，内圆环边界温度为定壁温高温[TH]，外圆环边界为定壁温低温[TL（TL

1.2 控制方程和边界条件

计算过程中使用如下假设：

1） 假设封闭腔内的纳米流体为 不可压缩流体且各向同性;

2） 在封闭腔内纳米流体做层流运动;

3） 纳米流体为连续性混合物，且纳米粒子均匀的分布于基液中。

描述该问题的控制方程如下：

模拟过程中选用纳米颗粒为SiO2，基液为去离子水。内壁面温度为400 K，外壁面温度为293 K。采用ANSYS ICEM 18.0建立几何模型和划分网格，采用ANSYS Fluent 18.0对模型进行计算，模型采用Boussinesq假设，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，采用二阶迎风差分格式进行动量和能量方程处理，压力修正采用PRESTO！算法。计算区域采用了非结构化网格，网格数量为3万。

1.3 结果与讨论

1.3.1 温度云图对比

通过对电加热器模型进行简化，分别对去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体进行模拟，得到了2种工况下的温度云图，如图2所示。从图中可以看出，温度的等值线较为均匀，圆环壁面与内部较为一致，圆环的内外壁之间的换热主要以导热为主。由于受重力的影响，温度等值线均向下方突出，这是由于流体在运动过程中受重力的影响。

通过对比去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体的温度云图可以发现，在圆环内壁附近，去离子水的温度等值线比SiO2-水纳米流体的温度等值线更加突出，纳米流体的温度等值线更加平缓。这说明与去离子水的流动相比纳米流体更加剧烈。但在圆环外壁附近，纳米流体为工质时的圆环温度更高，并且靠近管壁处的层流底层厚度增大，产生这一现象的原因为：基液中加入纳米颗粒后，在增大导热系数和强化换热的同时，纳米流体的黏度增大，流体流动变缓。

1.3.2 速度云图对比

图3展示了电加热器内工质为去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体时Y轴的速度云图。从图中可以看出，在整个环形速度场中，速度先增后减，速度沿X轴和Y轴方向呈现对称分布。在近壁面处速度分布变化紊乱，速度变化比较剧烈，且外壁面附近的温度大于内壁面附近的速度;通过对比纳米流体和去离子水的温度云图可以发现，在近壁面处，去离子水的温度变化比纳米流体的速度变化更剧烈，这说明加入纳米颗粒后流体的黏度增大，流动速度较为缓慢。

1.3.3 压力云图对比

图4展示了电加热器内工质为去离子水和质量分数为1.0% SiO2-水纳米流体时的压力云图。从图中可以看出，压力云图沿Y轴呈现出对称的趋势，且压力沿+y方向呈现出先减后增的趋势;SiO2纳米流体的管内压力大于去离子水的管内压力，原因主要为去离子水中加入纳米颗粒后，流体的黏度增大，在流动过程中，纳米流体克服摩擦力所消耗的能量增加，故压力有一定程度提高。结果表明，纳米流体在强化传热的同时，黏度和压力均有不同程度的增大。

2 实验研究

2.1 纳米流体的制备

实验所用纳米颗粒Al2O3、CuO、SiO2、MgO均购置于北京市某有限公司。生产厂家提供的纳米颗粒参数如表1所示。采用两步法[9]制备纳米流体，质量分数ω分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。配制过程如下：将纳米颗粒与基液（纯水）进行混合，机械搅拌1 h，添加分散剂到混合液中，用功率为450 W的超声波震荡器震荡2 h，从而使纳米颗粒稳定的分散在基液中。使用的分散剂有六偏磷酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和柠檬酸三钠，配制好的纳米流体静置7 d之后无明显沉淀。

2.2 实验系统

为了研究纳米流体在电加热器中的换热性能，电加热器的结构如图5所示。

图5中，电加热器的上下铜管长度为720 mm，上下铜管直径为30 mm，加热棒长度为520 mm，翅片厚度为1 mm，翅片高度和宽度分别为480 mm和100 mm，翅片间距为10 mm。电加热器共有7根直径为20 mm的立管，其长度为510 mm。分别在电加热器正反两面的关键温度变化点上布置了16个高精度热电偶，热电偶布置位置如图6所示，在电加热器上方1 m处，布置了4个高精度热电偶来测量电加热器上方环境的温度。

实验装置由测试段、数据采集系统和保温装置组成。为真实准确地反映不同种类纳米流体在电加热器中的换热性能，实验采用了仿真房屋大空间，运用绝热板对实验环境进行保温，实验过程中分别对电加热器进行加热、终止加热和二次加热，在不同日期的相同时间段进行5次重复实验，保证了实验数据的可靠性。

3 结果与讨论

3.1 电加热器翅片区域加热效果对比

图7展示了纳米流體质量分数为0.2%时，不同种类的纳米流体对电加热器翅片平均温度的影响。从图7中可以看出，在加热段，翅片平均温度随时间逐渐上升。在加热段前期，翅片平均温度上升速率基本一致，在加热段中期，MgO-水纳米流体为工质的翅片平均温度上升最快，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，工质为SiO2-水时，电加热器翅片平均温度上升的最慢。相同时间内，MgO-水纳米流体在终止加热段翅片平均温度下降最快。与基液相比，纳米流体为工质时翅片平均温度的提升速率均有不同程度提高。到达稳定时，MgO-水纳米流体为工质时翅片平均温度比基液高21.5%，且提前10 min达到稳定，CuO-水和Al2O3-水纳米流体为工质时，翅片平均温度分别提高19%和15%，SiO2-水纳米流体为工质时翅片平均温度提高10.7%。

图8展示了不同种类的纳米流体随质量分数变化时，对电加热器翅片稳定平均温度的影响。达到稳定时，翅片的平均温度随质量分数的增大呈现出先增后减的趋势。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水纳米流体作为工质时，电加热器翅片稳定温度出现转折时纳米流体的质量分数为0.8%，MgO纳米流体为工质时，电加热器翅片稳定温度出现转折时纳米流体的质量分数为0.6%。这是由于纳米流体质量分数较大时，黏度增大较明显，从而使翅片附近温度出现下降的趋势。当浓度相同时，工质为MgO-水纳米流体时翅片平均温度最高，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，SiO2-水纳米流体最低。与基液相比，纳米流体为工质时翅片的稳定平均温度均有不同程度提高。工质为CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水纳米流体时，翅片平均温度随浓度的增大提升速率基本一致，MgO-水纳米流体随着质量分数的增大翅片平均温度的提升速率逐渐增大，且质量分数为0.6%的MgO-水纳米流体为工质时，翅片平均温度比基液提高30.7%。

3.2 电加热器加热棒区域加热效果对比

图9展示了纳米流体质量分数为0.2%时，不同种类纳米流体对电加热器加热棒区域温度的影响。从图中可以看出，在加热段，电加热器加热棒区域的温度随时间迅速升高。MgO-水纳米流体为工质时加热棒区域的温度提升最快，CuO-水纳米流体优于Al2O3-水纳米流体，SiO2-水纳米流体为工质时加热棒区域的温度上升最慢。在加热段中期，MgO-水納米流体为工质时加热棒区域的温度出现了较大的越升。与基液相比，纳米流体为工质时加热棒区域的温度均有不同程度提高，MgO-水纳米流体为工质时加热棒区域的稳定温度提高约14 ℃，提升率为34.1%。工质为SiO2-水纳米流体时加热棒区域稳定温度比基液高8 ℃，提升率为13%。

图10展示了电加热器加热棒区域的稳定温度随纳米流体质量分数的变化。从图中可以看出，达到稳定时，加热棒区域的温度随质量分数的增大而增大。纳米流体质量分数相同时，MgO-水纳米流体为工质时，加热棒区域的稳定温度最高，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，工质为SiO2-水纳米流体时，加热棒区域的稳定温度最低。与基液相比，纳米流体为工质时加热棒区域的稳定平均温度均有不同程度提高。CuO-水、Al2O3-水和SiO2-水纳米流体加热棒区域温度随质量分数的增大提升速率基本一致，MgO-水纳米流体质量分数为0.6%-1.0%时，加热棒区域的稳定温度随质量分数的增大提升速率迅速增大。质量分数为1.0%的MgO-水纳米流体作为工质时，加热棒区域的稳定温度比基液高64%。质量分数为1.0%的SiO2-水纳米流体作为工质时，加热棒区域稳定温度比基液高16.5%。

3.3 电加热器上方铜管区域加热效果对比

图11展示了纳米流体质量分数为0.2%时，不同种类纳米流体对电加热器上方铜管温度的影响。在加热段，上方铜管温度随时间迅速升高，且温度升高的速率基本一致。CuO-水纳米流体为工质时，上方铜管温度最先达到稳定，MgO-水和Al2O3-水纳米流体次之，SiO2-水纳米流体达到稳定所用时间最长。与基液相比，纳米流体为工质时上方铜管温度达到稳定所用时间均减少。CuO-水纳米流体为工质时，比基液提前20 min到达稳定。纳米流体为工质时，上方铜管的稳定温度没有明显提升，但达到稳定所用时间均明显减少。

图12展示了电加热器上方铜管稳定温度随纳米流体浓度的变化。当浓度相同时，MgO-水纳米流体加热棒区域的稳定温度最高，CuO-水和Al2O3-水纳米流体次之，工质为SiO2-水纳米流体时，上方铜管的稳定温度最低。MgO-水纳米流体质量分数为0.8%～1.0%时，上方铜管温度显著提高。与基液相比，纳米流体为工质时上方铜管的稳定温度均有不同程度提高，质量分数为1.0%的MgO-水纳米流体比基液高32.8%，质量分数为1.0%的SiO2-水纳米流体比基液高13.6%。

3.4 电加热器上方环境温度对比

图13展示了纳米流体质量分数为0.2%时，不同种类的纳米流体对电加热器上方环境温度的影响。从图中可以看出，在加热段，环境温度随时间逐渐上升。在加热段前期，MgO-水纳米流体作为工质环境温度上升的速率最大，CuO-水和Al2O3-水流体次之，SiO2-水纳米流体最差。与基液相比，纳米流体为工质时环境温度均有不同程度提高。达到稳定时MgO-水纳米流体作为工质环境温度高约5 °C，提升率约为20 %。当环境温度达到设定值52 ℃时，MgO-水纳米流体比基液提前30 min达到设定值。工质为SiO2-水纳米流体时，环境温度提升率为8%，且提前12 min达到设定温度。

4 结语

将MgO、Al2O3、CuO和SiO2纳米颗粒加入到去离子水中，通过添加分散剂和超声震荡得到稳定均一的纳米流体，在电加热器中进行纳米流体对流换热效率实验，结果表明：

1）在电加热器中，相同体积分数的纳米流体，MgO-水纳米流体的换热效率大于CuO-水纳米流体和Al2O3-水纳米流体，SiO2-水纳米流体的换热效率最低;

2）4种纳米流体的换热效率均随颗粒质量分数的增加而有不同程度的提高;

3）电加热器翅片温度和加热棒区域的温度对环境温度影响较大;

4）与基液相比，质量分数为1.0%的MgO-水纳米流体使电加热器上方环境温度提高30.7%;Al2O3-水、CuO-水和SiO2-水纳米流体为工质时，电加热器上方环境温度分别提高了23%、27%和19%。

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