石墨烯纳米冷却液在汽车散热器中冷却性能的实验

杨 旭，田 宇，邓 伟

（1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.广西大学 物理学院，广西 南宁 530004）

当今社会的发展能源所起的作用日益明显，对能源的高效利用和对传统能源的迭代升级已经成为了时代进步不可回避的一个主题。由于工业工艺和经济效益的影响，对冷却装置的结构改进已经进入一个较为成熟的阶段，因此寻求热物性更好的新型冷却液成为了一种较为合理有效的改进发动机冷却性能的手段。纳米流体这个概念第一次由美国人Choi[1]在1995年提出。相对于毫米和微米级别粒子的流体，纳米流体呈现出更好的稳定性，更高的热导率，在实验中产生的压降也更小[2]。本文正是以此思路配置了新型纳米粒子冷却液进行实验，以期得到更好传热性能的稳定冷却液，从而为发动机轻量化提供一种可能。

1 石墨烯纳米冷却液的制备

常用的制备纳米流体方法为一步法和两步法。两步法第一道工序是制作纳米粒子，第二道工序是利用超声波震荡、高速搅拌等方法将粒子粉末分散进入基液中。相比于一步法，制备的粒子有较小的体积和较大的表面积[3]，因此本文采用了两步法来制备溶液。

配置溶液时，先将配置一定重量的50%乙二醇-水溶液作为基液，然后用电子天平称出定量的石墨烯粉末加入基液中。添加了十二烷基硫酸钠（SDS）作为表面活性剂来增加溶液的稳定性，纳米颗粒与分散剂的质量比为1∶1.同时添加了少量型号为DA-10的水性快速消泡剂。用分散机以2 000 r/min的高速进行快速搅拌半个小时，然后用超声波振荡仪进行一个小时的超声波震荡。实验用溶液均以此法配制，纳米颗粒质量分数为 0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%和0.4wt%.

2 实验装置和方法

本文所采用的实验装置可以分为试验台架（循环泵、水箱、流量计、散热器）、温度记录装置（热电偶、数据采集卡、数据记录系统等）、一些配制溶液的准备和辅助装置及材料（电子天平、分散机、超声波振荡仪等）。实验装置的示意图如图1所示。

图1 实验装置示意图

实验步骤为（1）配置溶液：将配好的50%乙二醇-水溶液加入用电子天平称量好的石墨烯粉末和分散剂粉末，滴入少量消泡剂，用分散机将溶液高速搅拌半小时，放入超声波振荡仪震荡一小时，分批存入桶中备用；（2）加热溶液：将溶液倒入水箱中，利用加热电阻进行加热接近所需的入口温度，打开水泵、风扇，再加热状态下调节加热电阻数量和功率直至管路内循环的溶液能在较长时间内保持所需入口温度；（3）记录数据：利用温度记录装置记录不同特定入口温度下壁面、出口温度，从流量计中记录流量和压降，再换下一个流量重复进行实验；（4）重复试验：确保实验数据稳定在误差不大的范围，多组数据取其平均值。

3 数据处理及结果分析

依据牛顿冷却定律：

式中，Q代表溶液的传热量；A代表换热器上一根管道的换热表面积；Tb代表纳米粒子冷却液的平均温度；Tw代表换热器壁面的平均温度。可由下面两个计算式求得：

传热量还可以由定义式得到

式中，m˙代表实验时通过换热器的质量流量；Tin代表换热器进口处流体的温度；Tout代表换热器出口处流体的温度；Cp代表溶液的比热容。

由于公式（1）和（4）中的传热量Q相同可以得到

为了验证实验装置的准确性，用50%的乙二醇溶液，在流量0.6～1.2 m2/h、入口温度75℃的条件下进行实验，得到流动管道中溶液的各项数据，利用经验公式和定义式计算出的数值进行对比如图2.

图2 实验与经验公式努塞尔数对比

实验数据与其他学者得到的经验公式基本吻合，50%乙二醇溶液在0.96的流量下误差最大达到13.8%，经过多次实验结果较为稳定，说明实验装置有较好的可靠性。

图3展示了85℃时流速对石墨烯纳米流体传热系数的影响。需要说明的是由于管径不变，流量增加流速也相应增加，流量与流速呈线性关系，表达的趋势相同，所以为了方便做图横坐标均采用了流量。

图3 流速对石墨烯纳米流体传热系数的影响

如图中所示流量变大，即纳米粒子流体的流速加快，对流换热系数增大。也可由公式（5）得知随着流量的变化和对流换热系数成正相关。随着流量从0.6 m3/h到1.2 m3/h逐渐增大，在入口温度85℃的状态下0.1 wt%的纳米粒子溶液对流换热系数比基液提高了7.2%～14.3%，流量越大提升的幅度也相应的越大。在此温度下随着石墨烯浓度由0.1 wt%增大到0.4wt%，对流换热系数增加的幅度略小于各个浓度对纯基液的提高幅度，为4%～9.2%，且增大的幅度随着流量的增加也越来越大。

图4显示了石墨烯质量分数在不同流速、入口温度的试验中对对流换热系数的影响。在入口温度75℃时，所有流量下对流换热系数均随着石墨烯纳米粒子浓度的增大而增大。质量浓度0.1wt%溶液的对流换热系数在0.6～1.2 m3/h的流量变化中，相对基液的对流换热系数增加了6%～13%.而开始添加入石墨烯纳米粒子后，每增加0.1wt%粒子浓度所带来的传热系数增大收益开始变小，比如质量分数0.4wt%的溶液相比0.3wt%的溶液对流传热系数的增幅为4.6%～11%.

图4 粒子质量分数对溶液传热系数的影响

图5比较了流量1.2 m3/h时，对流换热系数在不同石墨烯纳米粒子浓度和不同入口温度条件下的大小变化。在不同流速下，随着入口温度的增大，换热系数均相应变大。例如在流量1.2 m3/h、粒子质量分数0.1 wt%时，随着入口温度的增大传热系数相应的增大。80℃相比75℃以及85℃相比80℃，对流传热系数分别增加了9%和8.2%，且变化近似成线性关系。在75℃、80℃和85℃条件下，0.1wt%的溶液相比于基液分别提升了11%、16%、24%，说明在高温条件下，石墨烯粒子对溶液对流换热系数的提升更大。

图5 入口温度对溶液传热系数的影响

4 结束语

本文通过实验研究了不同粒子浓度的石墨烯-50%乙二醇水溶液纳米流体在汽车散热器中的传热性能，得到以下结论：

（1）向基液中添加石墨烯纳米颗粒能提高冷却液的传热性能。例如在75℃、石墨烯质量分数为0.1wt%、管内流量1.2 m3/h时，溶液的传热系数比纯基液提高了13%；

（2）随着温度升高，溶液的传热系数也相应提高。例如1.2 m3/h、粒子质量分数0.1wt%时，85℃纳米粒子溶液的传热系数比80℃时提高了8.2%.另外温度越高石墨烯粒子的加入对溶液传热性能的提升越大；

（3）随着流量增大，溶液的对流传热系数增大。例如在85℃、0.1wt%的条件下，流量1.2 m3/h溶液的对流传热系数比0.6 m3/h提高了14.3%.