液体除湿空调的传热强化研究

高文忠柳建华邬志敏张 青

(1上海海事大学商船学院 上海 201306；2上海理工大学能动学院 上海 200093；3上海海洋大学食品学院 上海 201306)

1995 年美国Argonne 国家实验室的Choi等[1]提出了纳米流体的概念，即将1～100nm的金属或者非金属粒子悬浮放在基液中形成的稳定悬浮液。诸多学者[2-6]研究成果表明，在液体中添加纳米流体的应用也日趋广泛，应用过程也反馈了其纳米粒子可以显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能，因其在提高流体传热效率和导热系数、减小与壁面的摩擦阻力等方面的优点，纳热性能的优异性，比如:传热性能和浓度之间存在非线性关系；比传统的固/液悬浮物的传热性能好；导热系数的提高存在很强的温度依赖关系；池内沸腾换热中临界热流量显著增加等。

液体除湿是传热和传质相互耦合的过程，除湿过程产生的凝结潜热被溶液吸收后，无法及时传出，气液接触表面温度升高，减弱了其除湿能力；再生过程因吸收汽化潜热，溶液表面温度降低，热量无法及时补充，减弱了溶液的再生能力[7]。故因热质交换造成液膜表面和液膜底层存在一定的温差，限制了其传质能力的发挥，除湿内冷过程和再生内热过程更需要加强传热以减弱因热质交换而降低的气液传质势。这里借鉴纳米流体的强化传热的思路，将除湿溶液加入纳米粒子以强化与空气之间热质传递的传热效率，以达到提高液体除湿空调的热质传递性能。

纳米粒子在溶液中分散性的优劣是影响其强化传热能力的重要因素，因为纳米流体不是简单的固液混合物，固体颗粒表面的活性使它们比较容易凝聚，形成若干具有连接界面的聚集团，因此获得分散性较好的纳米流体是制备过程关键一步，为了减弱纳米颗粒的凝聚，一般采用三种方法来解决颗粒物的稳定性:1)改变悬浮液的PH值；2)超声振动处理；3)添加表面活性剂。

目前常用的制备方法有单步法和两步法[8]，单步法把纳米粒子的制备与纳米流体的制备结合在一起，所制得的纳米颗粒粒径小，纳米颗粒在流体中分散性好，无需加入分散剂或改性处理就能得到稳定悬浮的纳米流体。两步法则用惰性气体凝聚或者化学蒸气分解等方法制备纳米粒子，然后通过适当的分散手段，分散到液体介质中，获得悬浮稳定的悬浮液。该方法制备过程比较简单。

室温下铜的导热系数是水的700倍，将纳米铜粒子加入溶液中制成纳米流体，可以提高流体的导热性能。Eastman等[9]用单步物理法制得铜/乙二醇纳米流体，实验结果表明:体积分数0.3%铜纳米颗粒(小于10nm)，能提高导热系数40%。Liu等[11]采用化学还原法合成Cu纳米流体，乙酸铜水溶液和还原剂肼反应制得Cu纳米流体，体积分数为0.1%时，采用瞬态热线法测得热传导提高23.8%。鉴于铜纳米流体在化工领域的突出传热性能，这里委托上海理工大学纳米流体研究所制作氯化锂纳米流体，并实验测试了纳米铜粒子对氯化锂溶液传热性能的影响。

1 纳米流体的热导率

学者们通过纳米流体的传热性能实验，证明了其对传热效果的影响，然而到目前为止，还没有可靠的理论用于计算纳米流体的热传导，原因在于，实验研究发现纳米流体的导热系数受诸多因素的影响，难于用同一的理论来分析，影响因素主要包括[10]:

1)纳米流体中纳米粒子的体积分数；

2)表面活性剂或分散剂的影响；

3)纳米流体的悬浮稳定性；

4)纳米粒子的团聚程度；

5)纳米粒子的表面特性，如比表面积、比表面能；

6)纳米颗粒的形状，如规则的圆形颗粒或不规则形态等；

7)基液的影响；

8)纳米粒子的粒径大小；

9)纳米流体的黏度；

10)纳米粒子本身的导热系数；

11)固液界面的特性，如界面阻抗，界面层液体的状态等；

12)纳米粒子的布朗运动。

从目前化工领域的研究成果来看，在其它条件相同的情况下，纳米流体导热系数的提高程度与添加纳米颗粒的导热系数、体积分数成正比，而与基液的关系尚没有统一的结论。

双组分混合物的导热计算多采用半经验公式，基本以式(1)的双组分混合物的有效导热系数keff的定义为基础，根据具体情况推理演化。

Maxwell[11]在此基础上建立了球形大颗粒、低浓度的纳米流体导热计算模型，即Maxwell模型。

式(1)和(2)中，ks、kf分别为纯溶液和纳米粒子的导热系数；φs、φf分别为纯溶液和纳米粒子所占的质量分数。

纳米颗粒的质量分数可由式(3)计算。

式中，N为单位容积的纳米粒子数；df为纳米粒子的平均粒径。

Maxwell模型适合较低体积分数纳米粒子的流体，纳米粒子含量较高时，计算结果和实验结果相差较明显，而Bruggeman[12]提出的如式(4)的随机分布粒子模型不仅能适合低浓度，还适合高浓度范围。

和球形颗粒相比，非球形纳米颗粒的棱角同样影响其传热效果，因此引入棱角因子来表征其影响，那么有效导热系数的表达式为(kf/ ks＞100) :

式中，n为棱角因子，n=ω/3，ω为非球形粒子的表面积与和它等体积的球形粒子的表面积之比。

2 纳米溶液强化传热实验及结果分析

将纳米铜粒子直接加入到氯化锂溶液中，会在溶液底部和表面形成大量的聚集，而通过在溶液中加入十二烷基硫酸钠(SDS)表面活性剂，采用单步法则可获得分散性较好的纳米除湿溶液。添加纳米粒子前后溶液传热性能的变化采用对比实验的方法进行，实验装置如图1所示。

图1 传热性能实验装置Fig.1 Experimental device of heat transfer performance

图2 纯溶液和纳米溶液加热过程表面温度对比Fig.2 Surface temperature Comparison of two solutions under heating condition

2.1 加热传热过程

两个量杯中分别加入100mL的氯化锂浓度为0.34的纯溶液和纳米铜粒子质量分数为0.03的氯化锂溶液，液面距底部高6cm，两溶液初始温度均为30℃。设定恒温水浴锅温度为70℃，待温度稳定后，将两量杯同时放入恒温水浴内的平板上，左侧为纯氯化锂溶液，右侧为纳米溶液。为了减少热量在量杯内的横向传递，仅量杯底面浸入热水中。量杯放入后即开始计时，使用SC600红外成像仪拍摄图1(a)的正面红外成像，图像记录溶液的表面温度，分别取60s、120s和200s三个时刻的图象进行对比，结果如图2所示。

由于实验过程，除量杯底部加热部分外，均暴露在恒温水浴内的空气中，与空气之间的温差也在一定程度上影响其内部传热，由于空气的热容量较小，且恒温水浴内空气流动较小，因此忽略其影响，实验结果只做比较、定性分析。

图2(a)显示，60s时，纯氯化锂溶液的表面温度L101没有变化，为30℃，而此时纳米溶液表面温度L102已经有所升高，约32℃，两者温差约2℃；120s时，两表面温度均升高，温差也拉大到约3.5℃；200s时，两表面温差继续升高，约5℃。以上现象说明，相同条件下，氯化锂纳米溶液的传热能力明显高于纯氯化锂溶液，纳米铜粒子因其较高的导热系数，能有效促进溶液的内部热量传递。

2.2 冷却传热过程

溶液底部加热实验过程，整个量杯内形成由底部到表面的温度梯度，易引发溶液内部对流，强化了内部的换热，使溶液表面温度升高较快，热量传递为对流和铜粒子同时作用的结果。为了规避热对流影响，测试了两种溶液的冷却过程，冷却过程因底部温度较低、密度较大，传热基本以导热形式进行，这里不考虑因纳米铜粒子引起的布朗运动、溶液黏度变化等影响。实验过程同加热过程类似，溶液初始温度为66℃，恒温水浴温度30℃。实验结果如图3所示。

图3中，60s时两表面温度基本一致，约等于初始温度，说明冷量还基本没有传到液体表面；120s时，两平面出现温差，平均约1.2℃；200s时，表面温差继续扩大，平均约2.2℃。纳米溶液的温度降低速度快于纯氯化锂溶液，纳米铜粒子强化了纯导热过程的热量传递。与图2相比，相同实验时间内，两液面温差较小，虽然纯导热过程铜粒子对传热能力的提高低于对流热交换过程，但其强化传热的效果依然比较明显。

图3 纯溶液和纳米溶液冷却过程表面温度对比Fig.3 Surface temperature Comparison of two solutions under cooling condition

2.3 导热系数受体积分数的影响

氯化锂溶液中铜粒子的质量分数也是影响其热量传递的重要因素，测试计算了不同纳米铜粒子体积分数下的导热系数与纯溶液的导热系数之比，结果见图4。随着铜粒子体积分数的增加，纳米溶液的导热系数随之增加，体积分数小于0.03时，实验结果和Maxwell计算值比较接近，体积分数大于0.03后，铜粒子含量越高，两者偏差越大。证明Maxwell模型应用范围的局限性。

图4 纳米流体的导热性能和体积分数的关系Fig.4 Relationship between nano-fluid thermal conductivity and volume fraction

图4还比较了纳米铜粒子在不同基液(油、水)以及不同粒径时的导热性能，相同粒径的纳米铜粒子(100nm)对氯化锂溶液和水的导热能力的提高相差不大，而对油的导热性能的提高则明显小于前两者，且粒子体积分数越大，差距越大。而粒径大小的影响，在小体积分数时，导热性能差别较小。对于大体积分数的情况，没有找到相关文献数据，这里不作结论。

液体除湿(再生)过程，液膜流动不仅存在层流导热过程，更多的是湍流流动，湍流热质交换过程中，纳米铜粒子对换热的强化作用更为明显，文献[13-16]分析了Al2O3、CuO和TiO2等纳米粒子对水溶液对流传热性能的影响，结果显示纳米粒子对换热无量纲数Nu有15%～40%的提高。纳米铜粒子对氯化锂溶液对流换热过程换热能力的强化作用是该研究方向的重点，将在后续研究中单独分析。

3 结论

文章分析了纳米流体强化传热的机理，并分别实验并对比了在加热和冷却条件下，纯氯化锂溶液与纳米氯化锂溶液的(传)导热性能；测试了纳米铜粒子质量分数的影响，得到主要结论如下:

1)加热条件下，在纳米铜粒子和对流作用下，纳米溶液的传热性能明显高于纯氯化锂溶液，纳米铜粒子因其远远大于溶液的导热系数，促进了溶液的内部热量交换，对流作用更进一步促进了其传热强化作用的发挥；

2)冷却条件下，纯导热过程，纳米溶液的导热性能仍明显优于纯氯化锂溶液，但传热效果明显不如加热过程；

3)纳米氯化锂溶液的导热系数随着铜粒子在溶液中体积分数的增加而增大，体积分数小于0.03时，实验结果和Maxwell模型计算值比较接近，体积分数大于0.03后，铜粒子含量越高，两者偏差越大。

4)纳米铜粒子对于液体传热性能的改变受基液类型影响较大，有一定的选择性。

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