УДК 536.24+532.133+532.135
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ НАНОЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ ВОДЫ И ЧАСТИЦ ОКСИДА МЕДИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ © 2015 г. А. В. Минаков12, В. Я. Рудяк3, Д. В. Гузей1, А. C. Лобасов1
1Сибирский федеральный университет, г. Красноярск 2Институт теплофизики им. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск 3Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: valery.rudyak@mail.ru Поступила в редакцию 13.11.2013 г.
Экспериментально измерен коэффициент теплоотдачи наножидкости в цилиндрическом канале в условиях постоянной плотности теплового потока на стенках. Исследуемая жидкость была приготовлена на основе дистиллированной воды и наночастиц CuO со средним размером 55 нм. Для стабилизации наножидкости используется биополимер. Объемная концентрация наночастиц варьировалась в диапазоне от 0.25 до 2%. Показано, что наножидкость при наименьшей концентрации наночастиц является ньютоновской, а во всех остальных случаях ее реология хорошо описывается моделью степенной жидкости. Получена корреляция зависимости параметров этой модели от концентрации наночастиц. Установлено, что наличие наночастиц значительно интенсифицирует теплообмен.
DOI: 10.7868/S0040364415020167
ВВЕДЕНИЕ
Попытки использовать дисперсные жидкости с микрочастицами для интенсификации теплообмена известны уже давно (см., например, [1]). На этом пути, однако, не удалось достичь существенных эффектов. Связано это с тем, что крупные дисперсные частицы достаточно быстро седимен-тируют, вызывают эрозию стенок канала, существенно меняют режимы течения жидкости и т.д. С появлением наножидкостей, т.е. жидкостей, в которых дисперсным компонентом являются нано-частицы, эти попытки были возобновлены. Уже первые эксперименты показали, что даже очень малые добавки наночастиц к жидкости (доли процента по объему) могут приводить к росту теплопроводности и теплоотдачи наножидкости на десятки процентов, а критический тепловой поток может увеличиваться в разы (см. работы [2—12] и цитируемую там литературу). В данном предметном поле за последние два десятилетия появилось огромное число работ. Большая часть из них была направлена на изучение теплопроводности и вязкости наножидкостей. Исследованию собственно теплообмена посвящено сравнительно немного работ, и представленные там результаты часто противоречивы (см. обзор [7]). В большинстве работ отмечается увеличение теплоотдачи при использовании наночастиц (см., например, [10] и цитируемую там литературу). В некоторых экспериментах указывается, что корреляционные формулы для числа Нуссельта, справедливые для
чистых жидкостей, неприменимы, когда величина объемной концентрации наночастиц больше 0.5% [7].
Вместе с тем имеются публикации, где демонстрируется уменьшение теплоотдачи при добавлении наночастиц [13]. Совершенно неясны процессы, происходящие при ламинарно-турбулент-ном переходе в наножидкостях, но в [14] указывается, что в наножидкостях имеет место значительное затягивание ламинарно-турбулент-ного перехода.
Отсутствие систематических экспериментальных данных относительно коэффициента теплоотдачи наножидкостей и их противоречивость при чрезвычайной практической востребованности способствуют интенсификации усилий для получения таких данных. Сложность состоит и в том, что изучение коэффициента теплоотдачи является комплексной задачей, поскольку при этом необходимо знание и вязкости наножидкостей, и, вообще говоря, их теплопроводности. Цель настоящей работы состоит в экспериментальном изучении коэффициента теплоотдачи достаточно широко распространенной и применяемой нано-жидкости на основе воды и наночастиц СиО.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДУЕМАЯ НАНОЖИДКОСТЬ
Схема установки по изучения коэффициента теплоотдачи показана на рис. 1. Установка пред-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
ставляет собой замкнутый контур, с циркулирующим теплоносителем. С помощью насоса рабочая жидкость из резервуара подается в измерительный обогреваемый участок, после прохождения которого поступает в теплообменник, где отдает тепло термостату. Расход рабочей жидкости в контуре регулируется системой ЛАТР.
Обогреваемый участок (обогреватель) представляет собой медную трубку диаметром 4 мм и длиной 1 м. Толщина стенки трубки — 1 мм. На трубку в качестве нагревателя намотана нихро-мовая нить толщиной 0.1 мм с общим сопротивлением 320 Ом. Трубка с нагревателем теплоизолирована. Мощность нагрева регулировалась источником тока GPS-6030D и контролировалась при помощи измерителя ОМ1Х. В экспериментах, представленных в данной статье, мощность нагрева равнялась 30 Вт.
Для измерения локальной температуры трубки на ее стенках на равном расстоянии друг от друга
закреплено 6 хромель-копелевых термопар. Измерение температуры осуществлялось измерителями ТРМ-200 (Tk на рис. 1). Помимо этого при помощи термопар T ¡ и To (рис. 1) измерялась температура на входе в обогреватель и на его выходе. При этом термопара, предназначенная для измерения температуры среды на выходе из контура, располагалась на значительном удалении от конца обогревателя, что обеспечивало однородность температуры среды в месте измерения (естественно, участок контура от обогревателя до места измерения температуры среды был также теплоизолирован). Помимо температуры в экспериментах с помощью дифференциального манометра Testo 510 определялся также перепад давления на входе P¡ и выходе Po исследуемого канала.
Измерительный участок был изготовлен из гладкой медной трубки. В эксперименте ее шероховатость не измерялась, по данным изготовителя она составляла h = 2—10 мкм. Таким образом, относительная шероховатость h/d = 0.0005— 0.0025. Согласно справочным данным [15, 16] такая шероховатость не оказывает существенного влияния на режим течения и его характеристики.
В качестве теплоносителя использовалась на-ножидкость на основе дистиллированной воды и наночастиц CuO. Для приготовления наножид-кости применялся стандартный двухшаговый процесс [17]. Был взят нанопорошок оксида меди производства ООО "Передовые порошковые технологии" (г. Томск). Порошок имеет черный цвет, а его наночастицы сферические (см. рис. 2а). Насыпная плотность порошка равна 2.2 г/см3. Удельная поверхность, измеренная методом БЭТ, составляет 15—20 м2/г. Гистограмма распределения частиц по размеру представлена на рис. 2б, средний диаметр наночастиц равнялся 55 нм. После добавления в дистиллированную воду необхо-
(а)
700 600 500 400 300 200 100 0
(б)
Ил
20 30 40 60 70 80 90 100 120 130 140 160
Рис. 2. Электронная микрофотография наночастиц СиО (а) и гистограмма распределения наночастиц по размерам (б): по оси абсцисс — размер наночастиц в нм, по оси ординат — число N наночастиц данного размера.
100
1 X 103
1 X 104
Re
Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления для чистой воды от числа Рейнольдса: штриховая линия — формула Пуазеля, пунктирная — корреляция Блазиуса.
Nu
9 8 7 6 5
"-•д..
2
0.2
0.4
x, м
Рис. 4. Изменение локального числа Нуссельта вдоль канала: 1 — измерения данной работы, 2 — корреляция [18].
димого количества нанопорошка оксида меди емкость с наножидкостью для разрушения конгломератов наночастиц помещалась в ультразвуковой смеситель УЗДН-А, время обработки составляло 30 мин. Полученная таким образом наножид-кость, однако, является нестабильной. Поэтому для ее стабилизации использовался ПАВ (биополимер ксантанова камедь). Его массовая концентрация не превышала 0.03%. Наножидкость с добавкой этого ПАВ не изменяла своих физических свойств, по крайней мере, в течение двух месяцев. В настоящей работе представлены данные измерений при следующих объемных концентрациях ф наночастиц: 0.25, 0.5, 1 и 2%.
Расход теплоносителя в контуре изменялся от 50 до 550 г/мин. Данный диапазон соответствовал ла-
минарному течению для всех теплоносителей за исключением воды и наножидкости с концентрацией частиц, равной 0.25%. В последнем случае ламинарно-турбулентный переход наблюдается, начиная с расхода около 400 г/мин. Таким образом, для трех жидкостей имел место ламинарный режим течения, а для четвертой — ламинарный и переходный.
Для верификации созданной экспериментальной установки сначала была проведена серия измерений на воде. Измерялась зависимость на обогреваемом участке канала коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольд-са. Коэффициент сопротивления f определялся
следующим образом: f = (2dAP)/(pU 2Z), где
U = 4g/ pnd2 — скорость течения, вычисленная по расходу G; d — диаметр канала; L — его длина; р — плотность жидкости; АР — измеренный перепад давления. Полученные данные затем сравнивались с известными теоретическими для ламинарного и турбулентного течений Пуазейля. Это сравнение представлено на рис. 3. Здесь штриховая линия соответствует теоретическому значению коэффициента сопротивления Пуазейля X = 64/Re для ламинарного течения, а пунктирная — корреляции Блазиуса X = 0.316 Re-0'25 для турбулентного. Значения измеренного перепада давления с точностью не ниже 5% согласуются с известными.
Необходимо было также проверить точность измерения коэффициента теплоотдачи. Прежде всего, было найдено распределение локального числа Нуссельта вдоль трубки для нескольких чисел Рейнольдса. Во всех случаях наблюдалось хорошее согласование измеренных значений с известными в литературе. На рис. 4 в качестве примера приведено сопоставление локального числа Нуссельта Nu = (ad)/X вдоль трубки для воды при Re = 1700 с данными известной экспериментальной корреляции [18]
Nu = 4.36 + 1.3l(- -
\Pe d
-13.
Ц w
V-ь,
-1/6
Cp — тепло-
Здесь а = 6Ср(Т1 - ТВ)Б~ Т - Т) емкость теплоносителя; S — площадь боковой поверхности канала; Т0, Т — температура жидкости
на выходе и на входе в канал; Т = (Т + Т0 )/2; Тк — температура стенки канала; Ре — число Пекле;
— коэффициент вязкости воды, вычисленный при температуре стенки и температуре жидкости. Согласование данных вполне удовлетворительное, максимальное отклонение составляет около 6%.
Помимо этого полученные экспериментальные данные сопоставлялись с эмпирическими данными [19] по зависимости среднего чис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.