太阳能集热钴-水纳米流体粘度特性实验研究

闫格尼，何钦波，郑兆志

（顺德职业技术学院 广东高校热泵工程技术开发中心，广东 佛山 528333）

导热系数和比热对于纳米流体在换热器中的流动换热有着较大的影响，而粘度也是纳米流体的一个重要热物性参数。粘度的大小同样对纳米流体的流动与换热性能有较大影响。粒子对悬浮液的粘度作用机理有自己独特的特性。目前用于悬浮液的粘度的计算模型，其值比实验测试值低，由于纳米流体多是通过两步法制得，纳米粒子存在多多少少的团聚，难以比较。因此，传统用于计算毫米或微米级悬浮液粘度的理论公示不适合用来计算纳米流体的粘度，尤其外加磁场后，悬浮液中粒子的分布发生改变，其流变特性更加复杂。为了得到纳米流体的粘度的具体值，必须通过实验测量的方法，定量分析质量分数、粒径、温度等因素对纳米流体粘度的影响。Prasher［1］研究了Al2O3-丙二醇纳米流体的粘度特性，实验测试了流体温度、剪切速率、Al2O3粒子直径及体积分数对纳米流体粘度的影响，结果显示：Al2O3-丙二醇纳米流体的流变特性显示其为牛顿流体，纳米颗粒本身的属性对其粘度值影响不大。温度对相对粘度无影响，而体积分数对粘度影响较大。Chen等［2］研究了TiO2-乙二醇纳米流体粒子形状、浓度、温度对粘度的影响，发现粒子体积分数超过2%时纳米流体表现出剪切稀化行为，并且温度会强化这种剪切稀化。Ngyuen等［3］报道了Al2O3-H2O纳米流体的粘度在高浓度时受粒子尺寸的影响较大。Numburu等［4］研究了SiO2-水和SiO2-乙二醇纳米流体的流变行为（温度范围为35～50 ℃）实验结果显示高温时纳米流体为牛顿流体且低温时剪切变稀。Kole等［5］研究了Al2O3-发动机冷却液纳米流体发现粒子的布朗运动会大大影响纳米流体的粘度大小。Das等［6］实验研究了Al2O3-水纳米流体的粘度与剪切率的关系，结果显示：Al2O3-水纳米流体属于非牛顿型流体，粘度随着粒子浓度的增加而增大。

直接吸收式太阳能集热器采用纳米流体作为集热工质，有望提高其集热效率。本课题组前期研究了钴-水纳米流体光热转换特性的影响［7-8］。纳米粒子的添加会增加基液的粘度，从而导致系统循环泵的功率增加，因纳米流体粘度的实测值与一些半经验计算公式的计算结果相差比较大，所以有必要通过实验测试的方法具体测试其粘度的大小。本实验制备了不同质量分数的钴-水纳米流体，对钴粒子的粒径、质量分数、pH值、温度等影响因素进行了实验分析。

1 实验准备

1.1 纳米流体制备

本实验所用粒子为直径30 nm和50 nm的钴粒子，将其分散在去离子水中，然后在水中添加一定量的分散剂，并通过超声振动使粒子稳定悬浮在去离子水中，制成钴-水纳米流体。详细的制备方法见文献［9］，图1为粒径30 nm的钴-水纳米流体样品，其中图1 （a），图1 （b），图1 （c），图1 （d），图1 （e）的质量分数分别为0.2wt%，0.1wt%，0.04wt%，0.02wt%，0.01wt%。

图1 不同质量分数的实验样品（钴粒径为30 nm）

1.2 测试仪器

采用美国BROOKFILED锥板粘度计（DV2T）进行粘度测试。试样温度通过循环恒温浴槽（南京先欧仪器有限公司，XODC-2015）精确控制，控温范围为-20～100 ℃，温度精度为±0.05 ℃。

2 结果及分析

为了检验粘度计的测量准确性，实验先测试了去离子水的粘度，测量结果如表1所示，跟文献［10］的值相比，最大偏差仅为1.34%。说明该粘度计测试精度可靠。粘度测试样品的质量分数分别为0.01%，0.02%，0.04%，0.1%，0.2%，0.4%，0.6%。

2.1 粒子质量分数对纳米流体粘度的影响

实验温度从20～70 ℃，测试了不同质量分数的纳米流体粘度，其变化趋势见图2。从图2中可以看出在去离子水中添加纳米粒子后，其粘度都增大了，钴-水纳米流体的粘度随质量分数呈非线性增加，这与文献［11］的研究变化趋势一致。在温度为40 ℃时，质量分数为0.01%的钴-水纳米流体，相比去离子水而言，粘度仅增大了0.61%，当质量分数为0.1%时，其粘度比去离子水增大了6.43%。随着粒子质量分数的增加，粒子间的距离会减小，使得粒子与粒子之间以及粒子与水分子之间的摩擦力会快速增加，它体现出来的就是宏观粘度的增加。粘度的增加会导致管内流动阻力的增大，但是另一方面，粘度增加有利于悬浮液的稳定［12］。

表1 去离子水的粘度实验值与文献［10］比较

图2 钴-水纳米流体的粘度与粒子质量分数的关系

2.2 粒子粒径对纳米流体粘度的影响

实验分别用不同粒径的钴-水纳米流体进行粘度测试，图3为40 ℃时钴-水纳米流体的粘度随粒子尺寸的变化曲线，纳米钴粒径分别为30 nm和50 nm。结果显示纳米流体粘度与粒子粒径大小有很大关系。粒径越小其纳米流体的粘度越大。例如，质量分数同为0.1%时，钴-水纳米流体（30 nm）的粘度比钴-水纳米流体（50 nm）的粘度提高了5.47%。

2.3 温度对纳米流体粘度的影响

为了检验流体温度对粘度的影响程度，实验通过精密恒温水浴对样品进行恒温（20～70 ℃）。图4为温度对钴-水纳米流体粘度影响的变化曲线。温度越高，纳米流体的粘度越低，质量分数为0.1%的纳米流体，30 ℃相对于20 ℃，其粘度降低了21.7%，当温度达到70 ℃时，其粘度比20 ℃的降低了58.1%。显然，温度也是一个对纳米流体的粘度影响较大的因素。

图3 40 ℃时钴-水纳米流体的粘度随粒径的变化

图4 钴-水纳米流体的粘度随温度的变化（50 nm）

图5是钴-水纳米流体与去离子水的粘度比值随温度的变化曲线，从图5中可以看出，质量分数为0.01%和0.1%的钴-水纳米流体与去离子水的粘度比值随温度的变化很小，而当质量分数增大到0.4%时，其比值随着温度的升高而逐渐增大。

图5 钴-水纳米流体与去离子水的粘度比值随温度的变化曲线（50 nm）

2.4 PH值对纳米流体粘度的影响

纳米粒子之间的静电在纳米流体的稳定性中起着重要的作用。pH值的大小直接影响着纳米粒子表面的电荷数量（Zeta电位），从而会影响粒子之间的相互作用，粒子之间的相互作用宏观表现就是具有不同的粘度大小。

图6为40 ℃时，50 nm的钴-水纳米流体的粘度随pH值的变化曲线，从图6中可以看出，随着pH值的增大，钴-水纳米流体的粘度先逐渐降低，当pH值超过8.5时，粘度又逐渐增加。pH=8.5时粘度值最小，比如，质量分数为0.2%的钴-水纳米流体，pH=8.5相对于pH=2时降低了14.96%。

图6 钴-水纳米流体的粘度随PH值的变化曲线 （t=40 ℃，50 nm）

2.5 剪切率对纳米流体粘度的影响

图7 钴-水纳米流体的流变曲线 （t = 30 ℃，50 nm）

钴-水纳米流体的剪切应力随剪切速率的变化见图7。通过剪切速率与剪切应力的关系是否符合牛顿定律，可以判断钴-水纳米流体是否为牛顿型流体。牛顿型流体的粘度与剪切速率无关，其剪切应力与剪切速率呈正比关系，即τ＝ηD。对于牛顿型流体，只用粘度参数就可以表示它的流变特性。而非牛顿型流体，剪切应力与剪切速率之间不存在正比关系，钴-水纳米流体其τ-D的关系均为直线，且都经过坐标原点，即表明实验中质量分数不超过0.6%的被测样品均为牛顿型流体。

3 结语

质量分数及温度对钴-水纳米流体粘度影响较大，实验所配置的钴-水纳米流体经不同剪切速率验证为牛顿型流体。纳米流体悬浮液中主要存在的胶体力、布朗扩散力以及液体作用在颗粒上的粘性力造成其粘度发生变化。