固体颗粒悬浮液的管内流动与传热特性研究

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随着现代工业的高速发展,传统的传热工质(水、油、醇等)已无法满足热利用场所日益增加的传热负荷。将具有高导热的纳米颗粒和高比热的相变微胶囊与传统工质相结合,以达到强化传热的目的。本文搭建了流动传热实验系统,以Si O2-H2O纳米颗粒悬浮液、相变微胶囊悬浮液、混合颗粒悬浮液三种固体颗粒悬浮液为研究对象,通过实验分析了固体颗粒悬浮液在圆管内的传热特性、流动特性及综合强化传热特性。主要工作如下:(1)采用实验方法研究了表面活性剂、纳米颗粒质量分数对Si O2-H2O纳米颗粒悬浮液在圆管内的传热特性、流动特性及综合强化传热特性的影响规律。实验结果发现:纳米颗粒悬浮液的平均努塞尔数、摩擦阻力系数、综合评价因子均随颗粒质量分数的增加,呈现出不断增大的趋势,选用十二烷基苯磺酸钠(PVP)表面活性剂与纳米颗粒质量分数比为1:1时,6%质量分数的Si O2-H2O纳米颗粒悬浮液的综合强化传热性能最好,与水相比最大提高了46%。(2)基于原位聚合法制备出三种不同颗粒粒径的相变微胶囊,囊芯相变材料为正十八烷,芯材为三聚氰胺甲醛树脂。研究了不同颗粒质量分数、不同颗粒粒径的相变微胶囊悬浮液在圆管内的传热特性、流动特性及综合强化传热特性。实验结果发现:相变微胶囊悬浮液的综合评价因子、平均努塞尔数、摩擦阻力系数均与颗粒质量分数成正比关系。在低雷诺数下,1μm颗粒粒径的相变微胶囊悬浮液整体强化传热性能略高于3μm粒径的相变微胶囊悬浮液,而在高雷诺数下,1μm颗粒粒径的相变微胶囊悬浮液整体强化传热性能略低于3um颗粒粒径的相变微胶囊悬浮液。(3)将纳米颗粒与相变微胶囊相混合配制成混合颗粒悬浮液,实验分析了Si O2/MEPCM比值及混合颗粒质量分数对相变微胶囊悬浮液在圆管内的传热特性、流动特性及综合强化传热特性的影响程度。实验结果发现:当Si O2/MEPCM比值为1:3以及混合颗粒质量分数为6%时,混合颗粒悬浮液综合强化传热性能最好,与水相比提高了55.5%~78.7%。(4)比较纳米颗粒悬浮液、相变微胶囊悬浮液及混合颗粒悬浮液的传热特性、流动特性及综合强化传热特性,分析得到了三种固体颗粒悬浮液强化传热的区别和规律。实验结果发现:颗粒质量分数为6%时,混合颗粒悬浮液、相变微胶囊悬浮液的综合强化传热性能均强于纳米颗粒悬浮液,Si O2/MEPCM比值从2:1变化到1:2时,相变微胶囊悬浮液综合强化传热性能均略强于混合颗粒悬浮液,而Si O2/MEPCM比值为1:3时,相变微胶囊悬浮液的综合强化传热性能低于混合颗粒悬浮液。
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