纳米流体在小通道板式换热器中的性能实验与数值研究

1、纳米流体在小通道板式换热器中的性能实验和数值研究Dustin R. Ray 1, Debendra K. Das , Ravikanth S. Vajjha2114摘要：在乙二醇和水的混合物中做氧化铝、氧化铜和二氧化硅这三种纳米流体的理论研究来比较他们在一个紧凑的小通道换热器中的性能。稀释的研究表明,当粒子体积浓度为1%时,所有的纳米流体相对于他们的基本流体都得到了改善。在三个重要参数都相同的基础上做出比较，分别是在板式换热器中用相同的质量流率、相同的传热速率和相同的泵功率。每种情况下，在板式换热器所需的传热系数相同的情况下三种纳米流体都提高了对热传热系数、减少体积流率和降低泵功率。冷却剂,h

2、fe - 7000在热交换器冷流体端被研究,具有在极低的温度应用的潜能,但并没有在文献中被广泛研究。确认了测试中使用水作为基本循环液的小通道板式换热器中测得的实验数值与预测的传热系数和总传热系数惊人的一致。从含有0.5%氧化铝纳米流体的实验中，初步导出了在PHE中努塞尔特数和摩擦系数的相关性。这个装置将用来测试不同种类的纳米流体，以最终确定参数对紧凑换热器的影响如：体积浓度、粒度和基础热流体性质和流体动力学性能文章信息文章历史收到的日期2013年8月2日收到修订后的版本的日期·2013年12月25日通过日期2013年12月28日网上时间2014年1月25日关键字：紧凑换热器、板式换热

3、器、对流传热、摩擦系数、纳米流体、努赛尔数、普朗特数、雷诺数、热物理性质 1. 介绍纳米流体是稳定的纳米级颗粒的悬浮液,不到100纳米,常见的基础液体有水,乙二醇、丙二醇、石油和其它液体。添加高导热金属纳米粒子如铜或铝来增加胶体导热率的解决方案,提高他们的整体传热能力。从1995年Choi和Eastman的最初研究开始,过去的十五年目睹了丰富的实验以及数值研究探索纳米流体作为传热介质相对于传统的液体的优势。Das等人汇编了一本关于各个方面研究纳米流体的科学和技术且有广泛体积量书，在他们的书中覆盖到了2006的进展。Minkowycz等人编辑了一本新书，里面写了10章由该领域专家总结的关于纳米传

4、热和流体流动直到2013的最新发展。目前全球都在研究纳米流体，表现出一个综合的结论那就是纳米流体可以成为一种优越的传热流体。这个目标能够被实现，证明在热交换中流动的纳米流体设计条件是按参数精心优化的，趋向于充分利用合适的纳米流体热物理特性的结合。在本文中，我们已经叙述了这些屈服于优越性能的属性。 由于纳米流体是一类新设计的流体，迄今进行了大量的研究工作一直致力于确定其热物理性能准确，因为他们基本确定对流传热和泵浦功率。然而，到现在为止，在有限的研究量已提交了理论分析和热交换器纳米流体的实际测试，并将它们的热力学和流体动力学性能与传统的液体进行比较。为了发展这种缺乏数据的研究，我们开始在板式换热

5、器上对纳米流体和基础液体的实验和理论研究。本文提出的方法可以很容易地适应任何类型的紧凑热交换器。探索纳米流体在应用中作为冷却剂的主动热控制（ATC）循环，这样研究的动机源于美国航空航天局未来航天器的散热需求。ATC循环由温加尔和埃里克森提出。示于图。 1。热的乘员模块中产生的量是约2.5千瓦，其具有通过一个紧凑液体对液体热交换器4,5消散。在本研究中，我们已经探讨了这种热评级紧凑的板式换热器由于其容易获得而用来比较纳米流体性能。根据由Kandlikar等描述的分类。6，这是一个迷你通道换热器，因为既要满足这种分类的最小通道尺寸为3毫米而我们的热交换器具有2mm的通道尺寸。Shah所描述的紧凑型

6、换热器具有传热面积与体积之比从大约700平方米/立方米开始7 。这个PHE拥有约1000平方米/立方米紧凑性因素，把它顺利纳入紧凑式换热器的范围。虽然本文涵盖了PHE，从所描述的方法学的知识将成为一个直接的扩展去代替实验或分析其他类型的紧凑型换热器的特性和评估下纳米流体流入的它们的性能。本文中描述的实验研究的测试回路可适于测试不同类型的紧凑型换热器、微通道装置、散热片和冷却板、且发现在热管理方面也能有广泛的应用。多年来由于电子设备和微机电系统的不断小型化，热密度显着增加了。因此，本文中调查显示纳米流体的热性能比相应的基础液体显示出的性能更优异，能够除去紧凑式换热器中的高热流。这里提供的信息应该

7、是有益的优化热管理系统。热交换器减小的尺寸、重量和泵功率将为NASA节省大量成本，因为它的成本约为120008$却将送入轨道的有效载荷减轻 1英镑。 板式换热器（PHE）已广泛的被用来研究的单相流体，并在随后发现在冷凝器和蒸发器中发生两相气液流动中也能应用。最近的一项综合性由Wang等人著作。9其中涵盖PHE适用于基本流体的各个方面，但不包括纳米流体。研究纳米流体流板式换热器是相当有限的,这里我们只引用其中一些。Mare等10实验研究了分散在纯水层流条件下的氧化铝和碳纳米管两种纳米流体。他们测量氧化铝和碳纳米管悬浮液的传热系数比纯净水分别提高42%和42%。他们描述一个参数去比较传热增益相对于

8、抽运功率的损失，氧化铝和碳纳米管纳米流体分别增加22%和150%,虽然是和纯水比较热工性能。Jokar和O ' halloran11 层流流态下体积浓度为1 - 4%的Al2O3-水纳米流体进行了流体动力学(CFD)分析。他们的研究结果表明, 板式换热器的总传热随着纳米流体体积浓度的增加而有轻微下降。他们这种不寻常的行为归因于在板式换热器三维尺寸中的复杂流动状态。许多研究人员表示,在圆形管道中的简单几何流动传热率随浓度增加而增大。传热速率低于预测的另一个原因可能与他们估算的导热系数相关。它们的热导率曲线显示在一个固定的温度下会有非常低的约2的增强，甚至对于明显的颗粒的体积浓度为4纳米流

9、体。这种不寻常的低导热性增强的价值很容易因为在流体动力学计算标准的一个出错而废止。Pantzali等人12 用PHE进行的4的氧化铜（CuO）水悬浮试验研究中传热功率高达3.5千瓦。他们的实验数据显示基液和纳米流体在雷诺数和普朗特数都相似的情况下操作下会得到同样努塞尔数。他们得出的结论是,纳米流体在层流条件下是有益的。然而, 为了在湍流条件也有益, 必须增加边界粘度才能使热导率增加。Fard等人。 13在纳米同心管和板式换热器进行了水为基础液、氧化锌（ZnO）纳米流体体积浓度为0.5的流体进行了数值和实验研究。对应于相等质量流率为10g/s上的板式换热器热端和冷端一样，他们测得氧化锌纳米流体的

10、总传热系数比蒸馏水高20。 他们还利用商业CFD代码,CFX对PHE的流体流动进行了三维流体动力学分析。他们报道板式换热器预测的平均数值和实验数据之间的误差约7.5%。Tiwari等人14实验研究了以水为基础液、浓度高达3%的四种纳米流体：CeO2,Al2O3, SiO2和SiO2。实验结果表明，氧化铈纳米流体为0.75最佳的体积浓度时PHE的总传热系数得到最大为35.9增强。在这个条件下最优性能指标定义为传热泵功率之比,结果比基础液增强了16%。 Pandey和Nema15 用PHE对纯水和Al2O3纳米颗粒进行实验研究直到纳米颗粒体积浓度达到4%。从他们的实验数中据根据粒子体积浓度和沛克莱

11、数提出了努塞尔数和摩擦系数的相关性 (Re·Pr)。他们还计算板式换热器的火用损失,发现体积浓度为2%时的火用损失最低。我们提出了实验和理论分析,证明在优化应用程序中通过参数化运行,使用纳米流体代替传统的液体可以减少泵功率要求和热交换器的大小,同时实现相同数量的传热。因此,纳米流体可以成为许多热应用程序系统的一个有吸引力的候选者。本研究的另一个有价值的特性是，它计算一个极低温的冷却剂的性能，HFE-700016，NASA在考虑将它用在太空上的表面散热器里（图1）。航天器在一些位置和方向时太阳射线被阻塞,它可能经历的有效天空温度低至-100,因此,该传热流体的凝固点为-122.5，被选

12、中时它不会在散热器管路中冻结。这种流体在世界的寒冷地区也被研究，如北极圈的国家，在环境温度达-60传热的应用很重要。在每年冬天阿拉斯加石油和天然气领域的设备都经受这样的温度。（见图2）1.1 目的实验：实验研究是在钎焊板式换热器的测试循环进行的，实验中颗粒体积浓度为0.5的氧化铝纳米流体分散在EG/ W为60:40的基液中。从实验数据中完善了努塞尔数()和摩擦系数(f)的初步相关性。这些实验结果使我们能够定量比较，一纳米流体和基础流体的热和流体动力学性能。理论：使用Focke等人成熟的单相流体相关的详细理论研究。 17通过MATLAB脚本的方式对在PHE热端四种热传递介质的流体动力性能和热性能

13、进行比较。这些介质是:G/ W为60:40的纯液体和基础液相同且体积浓度为1%的Al2O3,CuO和SiO2三种纳米流体。在所有四种情况中，在板式换热器的冷端的冷却剂被认为是HFE7000，吸收热量为NASA 的ATC系统所提出的约2.5千瓦。 2.相关的热物理性质三种类型在纳米粒子，Al2O3、CuO和SiO2被选出来,因为它们近年来作为有前景的添加剂其纳米流已经被广泛研究了。完成这些纳米流体的热能与流体动力学分析必须要热物理性质的精确公式：密度、粘度、比热和导热系数。2.1 基础液性质2.1.1 乙二醇和水的混合物(EG/ W)在热端的质量比例为60:40.从ASHRAE18手册上展示的质

14、量比为60:40GE/ W的数据进行曲线拟合,接下来以一个误差小于1%的非常高精度测定相关的基础液的密度、粘度、比热和导热系数。选择60:40比例的原因则是由于这个比例达到最低冰点(-48),这在极端寒冷地区应用是非常重要的。这种液体在PHE热端中被采用，时美国NASA的ATC系统的主回路也考虑采用它。NASA的选择是丙二醇/水(PG / W)，因为其毒性低，然而PG / W纳米流体的相关属性相尚未公布。所以，/ W用于获得一个大趋势。/ W基础液所有的相关属性在表1中给出。粘度的拟合曲线符合根据水粘度而推荐的二次方程。所有其他相关属性遵循20从他们推导出的无量纲形式中提炼的指导方针。2.1.

15、2 冷端的HFE-7000表2中基础液HFE - 7000的数据统计来自于文献3 M16。3M文献16分别给予密度，比热和热导率的公式。根据3M文献中给出的数据经过曲线 - 拟合导出粘度公式符合White的二次方程式。这种液体被PHE冷端选中并且会循环在NASA的ATC系统的二次回路中。HFE - 7000作为冷却剂的优点是它在1个标准大气压下-122.5的低凝固点和低粘度。和EG/W比较，粘度比（1EG/W/1HFE）在20室温时约为11.64，在-40时95.HFE - 7000的缺点是它相对于其他冷却剂的低导热系数；KWG/ W / Khfe在20室温时4.69 ，-40时3.50。因此

16、, HFE - 7000可以通过掺杂纳米颗粒来丰富，,随着粒子的掺杂将增强固有的低导热系数但不会过于不利的增加粘度,因为它一开始是非常低的。2.2 纳米流体性能Vajjha等人21对比了Pak和Cho22根据质量守恒提出的理论密度方程（1）和测量的氧化铝，氧化锑锡，和氧化锌（ZnO）三种不同的纳米流体密度值，发现该理论方程和测量的数据是一致的。因此,方程采用密度计算。Vajjha和Das23在测量氧化铝,二氧化硅,氧化锌三个纳米流体的比热发展了方程(2)的相关性,A,B和C是每个纳米颗粒的曲线拟合系数。CuO和其他纳米流体的比热可以用公式（3）来计算。公式（3）由Xuan和Roetzel24基

17、于颗粒和基底流体之间的热平衡开发。Koo和Kleinstreuer25开发了纳米流体的热导率模型,这个模型添加了一个布朗运动术语到经典麦克斯韦模型上,体现在方程式(4)上。继Koo和Kleinstreuer的模型后，Vajjha和DAS26和Sahoo等人27为纳米粒子分散于EG/ W为60:40的基础流体的流体开发了类似的相关性。他们使用拥有稳态技术的导热系数仪通过实验确定Al2O3、铜氧化物、氧化锌和SiO2的热导率,。他们为每个纳米流体派生出了方程(4 b)和曲线拟合关系d= f()。Vajjha等人28 为EG / W基础液准备的三种纳米流体(Al2O3, CuO, SiO2) 提出了

18、一个无量纲相关性方程(5),在A和B为每个纳米粒子结合了Namburu 等人(29、30)和Sahoo等人31的数据集的曲线拟合常数。3.板式换热器我们使用SWEP B5H板式换热器32进行实验和分析。由于其设计的专有性。一些来自制造商的几何数据无法使用。因此, 列在表3的一些几何数据是来自计算。 我们假定某些实际的大小然后让其中一些在制造商的软件（SSP G7）里运行，直到我们的估计性能与SWEP的换热器性能一致。要获得表3中列举的PHE的几何形状和不同参数的明确的解释，由Wang9等人本写的书是一个很好的来源。这本书还提供了评级或设计一个板式换热器需要的流动配置,努塞尔特数、摩擦系数和热/

19、流体动力学性能的相关性方程。4.实验性研究实验设置如图3所示。在循环中, 图左边的是热流体在热交换器的流通。纳米流体和EG / W的混合物在这个循环里流通。有四个2千瓦的电加热器安装在储罐进口和出口的。流体在储罐的出口温度的是通过固定状态控制,以使储罐输出的是热交换器所需的高温流体。目前热交换器冷却水供水系统设置在实验室。当前的目标是测试不同纳米流体在进行热液循环时被水所降低的温度。根据实验数据我们的目标是发展努塞尔数和摩擦系数与几个纳米流体的雷诺数、普朗特数、雪佛龙角、纳米颗粒体积浓度、粒度和粒子属性的相关性。除了板式换热器,其他类型的紧凑型液体对液体热交换器和冷却板也可以用这个循环进行测试

20、。将来冷却端可以制成一个封闭的循环，其他比水优异的不同的冷却剂可以在必要时流通。观察到,在冷端出口温度有很高的响应系统的变化。因此，稳定状态被定义为冷端出口温度稳定，并有0.1以内的余量，同时冷热两端的能量平衡也是在±5以内。 一旦实现稳态,每个实验测量三次分别间隔3分钟，所有的数据收集遵循这个过程。这个实验装置的参数测量是:进口和出口温度、体积流量和热交换器冷热流体的压差。4.2从实验获得数据的方程从测量是数据得到所需的性能结果的计算使用以下方程。流体热物理性质的计算使用方程(6)，平均总体温度作为被描述量，冷热两端的传热率测定都采用能量平衡方程。对数平均温差计算使用逆流形式的温度

21、。整体传热系数方程(9)计算用平均传热速率方程(10)。雷诺数(11)和普朗特数(11b)基于板式换热器液冷热端体的整体平均温度计算。范宁摩擦系数也使用方程(12)计算。4.3实验结果4.31基准测试案例之水。基准测试是在PHE的冷热两端都用水作为测试液体进行的。测试设置验证和比较了板式换热器制造商(SWEP32)软件(SSP G734) 的结果和实验结果。在热端流量和温度实现在一定范围内变化来，雷诺数从700到2700,普朗特数从3到6。在冷端保持着几乎相同的流动条件生成一个相对恒定的对流传热系数。这有助于随后通过Wilson plot的方法决定对流传热系数。基准测试结果如图4所示，板式换热

22、器的传热速率和整体传热系数随雷诺数的变化情况。实验结果使用在4.2节提出方程式(6)-(11)计算。实验数据都非常接近使用建模软件验证实验装置得出的预测。SWEP模型预测和实验数据之间的传热率误差是:最低-0.57%,最高1.9%,平均为0.40%。SWEP模型预测和实验数据之间的整体传热系数误差:最低-1.09%,最高2.82%,平均:0.61%。4.3.2纳米流体测试由于在我们的文献回顾发现，对板式换热器中预测的几种纳米流体的努赛尔数和摩擦系数到目前为止没有完善的相关性存在。众所周知纳米流体研究中可以通过一个浓度非常稀的纳米颗粒增强表现出最好的导热系数,而不是增加粘度到一个高的值。此外,

23、紧凑热交换器狭窄的通道可能增加纳米粒子的聚集,容易堵塞。因此,作者开始时用的氧化铝粒子分散于EG/ W的混合物的体积浓度非常稀(0.5%)。选择氧化铝用于增强导热系数而不过高的增加粘度。4.3.3制备的纳米流体的特征氧化铝纳米流体购自Alfa Aesar 35，质量为50%的水性悬浮体，平均粒径为45 nm。纳米流体进行超声波破碎分两个阶段。在第一个阶段中，用Branson超声仪在40千赫兹的频率和185W的功率对浓缩纳米流体母液（制造商原始流体）进行超声处理。纳米流体母液经受3次每次2个小时的持续的超神波破碎。这个过程分解由于长期存储而凝聚的粒子。测试主回路设置的流体的体积的约2.5 升。使

24、用氧化铝粒子的密度3600 kg / m3，比例为60:40的EG/ W在25室温时为1081 kg / m3, 要计算添加多少的质量的浓缩母液体能配出2.5升体AL2O3体积浓度为0.5%的以EG/w为基础液的流体。接着，使用精密电子装置进行质量平衡，用吸移管将纳米流体液滴加入到试管中测量浓缩母液流体的精确质量。 将这种精确计量的浓缩纳米流体小心地加入到该EG/ W为60:40的基础流体中。在第二阶段, 在瓶里这些稀释的纳米流体用超声发生破碎器三个小时,已是足以打破凝聚粒子。然后将被稀释的纳米流体的一个小样本置于透射电子显微镜(TEM)下检查。图5显示了TEM下纳米流体的形状。粒子的完美的球

25、形，大小在10纳米到90纳米之间。从粒度分布来看,平均粒径为45 nm证明制造商似乎是正确的。没有观察到纳米颗粒的结块。声波降解法和产品描会出现在进一步纳米流体制备过程的细节里。循环的热端充满纳米颗粒，流动的雷诺数范围从150到750。在不同雷诺数时的测量传热率和总传热系数绘制在图6。接下来,使用SWEP软件和纳米流体的热物理性质,我们计算了传热速率和总传热系数。尽管SWEP软件是为单相液体而开发的,近年来重要的研究表明,低浓度纳米流体也可以用单相理论建模。在图6中,结果显示传热率和总传热系数的实验数据和SWEP模型获得的预测值很契合。传热率的实验数据和SWEP预测值之间的温差:最低-0.70

26、%,最高-0.26%,平均:-0.47%,总体传热系数的误差是:最低-0.34%,最高0.91%,平均:0.68%。4.3.4努赛尔数的相关发展从上一节实验和SWEP模型预测在图6上的契合，似乎有一个相关性可以同时适用于单相流体以及低浓度纳米流体。 因此，我们使用从水和Al2O3实验收集的数据来开发给定的板式热交换器的单一的初步的相关性。 努赛尔数相关性用Wilson绘制法来实现。威尔逊绘制法是由Shah37、Muley和Manglik38三人解释并已应用在PHE上。 板式换热器没有考虑污垢热阻时的总传热系数和传热系数的方程(13)。大多数相关性将努塞尔数定义为雷诺数和普朗特数之间的一个幂律关

27、系，得到式（14）用公式（15）来定义努赛尔数，用公式（14）和（16）我们可以消除努赛尔数。现在，合并式（13）和式（16）得到式（17）我们使用MATLAB的非线性曲线拟合功能nlinfit确定曲线拟合常数,C1,C2,C3。从历史上努赛尔数与内部流动的相关性已经注意到，雷诺数C2的指数在0.6和0.8之间变化和普朗特数C3的指数在0.3和0.5之间变化。 与这些建议的限制，扫描执行过的和所有被确定的系数后判定图7中所示的数据的最佳系数为R2 =0.9924。 相关性,式(18) 与实验数据有良好契合。相比之下,我们从大量的实验数据中为板式换热器提出了相关性在形式上与福克等人17的相关性类

28、似,在后面的一节中的式(31)中列出。板式换热器的V型角是制造商的专有信息，板式热交换器这个数字可以在30°和60°之间变化。我们的实验数据和Focke等人制作的图7中都显示V型角为45°，这样我们相信我们的PHE的V型角也可能是45°，我们将这个数值列在了表3上。4.3.5摩擦系数相关性的发展使用差压测量相关摩擦系数。压差传感器连接到板式换热器的进出口两端的管道上,也包含了为便于拆除而安装的快速连接配件和进、出口管口。因此,测量包括板式换热器的压力损失、管口和可快速连接的配件。进出口管口的压力损失很容易通过减去(19a)-(19b)提出的压力损失而得到

29、。然而,可快速连接配件的压力损失是粗略估计的,导致我们的压力损失测量显示值仅仅高于板式换热器的压力损失值。范宁摩擦系数用式(12)计算。图8显示的摩擦系数的相关性公式(20),显示了比SWEP预测模型在较低雷诺数预测的值高，但是雷诺数的增加符合他们预测。我们相信这是由于错误的估计了在连接配件损失。传统Blasius类型的相关匹配形式的与负指数雷诺数关系和它从SWEP模型得到的结果趋势是相似的。4.3.6传提高热系数式（18）是雷诺数相关性发展的，基于雷诺数恒定的情况下比较基础液体（EG/W）和浓度为0.5%的Al2O3纳米流体的对流和总传热系数。图9显示了在一个雷诺数给定的情况下，氧化铝纳米流

30、体增加了基础流体的热力性能。对流传热系数增加值:最低9.18%,最高11.09%,平均10.35%,而总体传热系数增加值:最低3.30%,最高4.85%,平均3.98%。4.3.7分析测量的不确定性实验系统的参数错误比如：热流量（Q）、总体传热系数（U）、雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）、努赛尔数（Nu）、摩擦系数（f），估计与使用了不准确的列在表4中的个体测量有关。测量参数的不准确性:体积流量、温度、压力、从传感器制造商那里得到的规范和那些SWEP提供的板式换热器的尺寸规格。(氧化铝0.5%)热物理性质的不确定性是引用早前论文的纳米流体属性部分。表4中的质数表示比率为 x ' =x

31、/ x。正如怀特19为实验数据的不确定性做的解释，如果P是变量x的等式幂律表达，式（21A），则P的不确定度可以计算为等式（21b）给出的所有其他不确定性的平方根的均值。 误差的计算结果:雷诺数、普朗特数,努塞尔特数,和摩擦系数分别为5.34%,6.28%, 6.43%和3.27%。5.主动热控制系统(ATC)在介绍部分，图1为 NASA未来飞船的冷却ATC系统。船员舱室、电池和电子设备的热量估计约为2.5千瓦。丙二醇/水(PG / W)冷却剂收集的热量通过热交换器的内部循环转移给HFE - 7000液体。HFE - 7000液体循环通过位于航天器的表面的散热器, 通过辐射将热量消散到太空,航

32、天器表面可能像-100一样冷。我们的研究集中在对传热能力和所需的泵功率有利的方向,可以通过在冷却剂循环两端引入纳米粒子，再通过一系列的计算来比较紧凑式换热器的内部循环性能。在文献中没有提供PG / W纳米流体的热物理性质。因此,我们使用可用的相关联的EG/ W纳米流体做后续分析。虽然与PG / W 纳米流体的热物理性质不同, 两种基础液体都起源乙二醇，所以总体趋势和性质应该是似类似的。 此外, 目前仍在继续完善PG / W纳米流体的相关性,可以很容易地重复这里提供的计算以改善结果。NASA的内循环紧凑热交换器不可用,因为它是一个专有的设计。因此,我们在它的位置上使用了SWEP B5H紧凑板式换

33、热器,其几何参数已在表3列出。进气温度和总散热已经与NASA的ATC的要求相匹配。质量流率和PHE的通道数量已经修改完成以满足2.5千瓦的总散热需求。用于满足ATC循环的热负荷的参数总结列于表5。这些值将用于分析确定前面叙述过的基础流体(EG/ W,hfe - 7000)和Al2O3、CuO、SiO2三种不同的纳米流体的热力学和流体动力学性能。6. 热力学和流体动力学计算6.1 数值方案的评价分析PHE的数值方案使用王等人9概述的单位传热法的有效数字，通过Matlab编程来比较三种纳米流体和基础流体在三种不同条件都相同的情况下的性能:(i)质量流率,(ii)传热率和(iii)泵功率。其中一个方

34、案见图10。通常一个迭代过程不需要使用-NTU方法,但用了的话能更精确的算出平均流体性的质值，使用公式（22）值来确定出口温度。Vajjha和Das36 对在圆管内流动的纳米流体的传热和泵功率的相关实验进行了全面的理论分析。他们的目标是确定粒子体积浓度的影响。他们发现粒子添加到基础流体后导热系数增加,对流传热系数增加，但是也增加了粘度,因此泵功率增加。从他们的权衡分析,他们发现体积浓度在1%左右稀纳米流体对增加传热有益，而且增加的泵率不明显。因此,我们在板式换热器热端循环采用体积浓度为1%的不同的纳米流体以分析比较他们的性能。6.2板式换热器的方程采取王等人提出的方程执行PHE的热力学与流体动

35、力学分析。 热容量热容比总传热系数传热单元数逆流换热器效率换热量压降范宁摩擦系数确定使用相关方程（32）。泵功率计算PHE冷热两端的对流传热系数和摩擦系数,认为wang等人9基于单相液体提出的一些相关性对纳米流体数据是不可用的。这本书包含一些相关的研究人员,包括如Focke17、Muley、Manglik38。将福克等人提供了雷诺数从150到20000连续的相关性与,Muley和Manglik提供的在Re>1000时有效的相关性进行对比。在我们运行参数时不同基础液体和纳米流体的雷诺数有时跌破1000而且在很广的范围内变化。因此,福克等人连续统计了所覆盖的所以有雷诺数的相关性数值涵。Foc

36、ke17等人提出的V型角= 45°的相关性列在下面。6.3流体性能的技术性分析在前面的部分提出了基础液体和纳米流体的流体性质评估他们的体积平均温度的相关性。表6所示为与基础液相比纳米流体显示的正确的趋势,更高的密度,较低的比热,高粘度和高导热6.4基于相同的质量流率的性能比较表7的基础上提出了一个热端质量流率为0.2Kg/ s的四种流体的分析结果，四种不同的液体为：（i）基础液EG/W(i)、(ii)1%的Al2O3,(ii)1%CuO, (iv) 1%SiO2,t他们都分散在EG/W中。这个大胆的术语描述了纳米流体和基础液之间比较的关键性能。冷端流体HFE - 7000的质量流量保

37、持在0.1kg/ s。冷热流体的入口温度通过ATC循环保持不变。大约2.5千瓦的热量通过板式换热器转移。从表7观察, Al2O3、CuO和SiO2纳米流体的对流换热系数相对于基础液分别增加4.75%,3.98%和2.25%。还有在同样数量的热量转移情况下所有纳米流体的体积流量与基础液相比都减少了,CuO产生了4.78%的最大降幅。相比基础液只有CuO的泵功率减少了1.73%。纳米流体产生的整体传热系数(U)轻微的增加(少于1%)是能被注意到的,尽管它不像对流传热系数增加得纳米高。纳米流体还在特定泵功率(泵功率/NTU)CuO下展示出的泵功率低于基础液的消耗。事实是由于冷流体HFE - 7000

38、低的对流传热系数,与热流体侧相比接近1 - 4,使冷流体侧热阻成为主导。进一步优化冷端流体提高对流传热系数会使纳米流体的性能更好。6.5基于相同的散热性能比较数值化方案1.假设纳米流体和基础液有相同的质量流量2.使用6.1节中的分析计划概要。3.确定纳米流体单位质量流率的平等传热:Qbf =(mCpT)nf4.重复过程(1 - 4),直到质量流率没有明显的变化表8总结板式换热器的散热时保持常数为2.56千瓦的计算结果的案例。使用Al2O3和CuO纳米流体使传热系数分别增加3.53%和3.73%。在同等传热量下相比与基础液，两个纳米流体的体积流量分别减少了5.30%和4.84。相同数量的传热,与

39、基础流体相比氧化铝纳米流体降低泵功率4.72%而CuO纳米流体降低泵功率3.01%。三个种纳米流体表现出泵率较低的特性分析证明了纳米流体比基础液体显示了更好的性能,将交换等量的热量而泵功率较低。也可以看出SiO2纳米流体性能不如其他两个纳米流体,因认为此SiO2不会被是进一步分析。6.6在泵功率相同的基础上比较性能1.假设纳米流体和基础流体的热面积/长度相同2.使用6.1节中的分析计划概要。3.确定与基础液传热速率相同所需的传热面积：NTUbf =（UACmin）nf4.给根据新的传热面积,计算所需的换热器长度。5.计算同等泵功率下纳米流体能达到的最大质量流率通过: Wbf = （V·

40、;P）nf6.重复分析(1 - 5),直到没有明显的长度和流量的变化表9中的分析是使用表7和表8中相同泵功率为0.568 w转移了2.56千瓦的热量而获得的。由于(HFE)冷端的高热阻,增加热侧的传热系数高达5%也不会显著减少面积（< 1%)。Al2O3纳米流体传热系数增加约4.75%。 CuO纳米流体体积流率减少3.74%而的整体传热系数略有增加,不到1%,所有三个纳米流体所需的传热面积也有轻微的减少。 如果冷端的传热系数(hfe - 7000)可以增加,那么整体传热系数可以进一步增加,这将会进一步减少所需的传热面积。6.7 HFE - 7000掺杂前后性能比较纳米粒子使用HFE - 7000以来, 我们之前所有的计算仍将换热器冷端的它视为一种基础液来对待,一项掺杂Al2O3纳米颗粒浓度为1%的调查这表明现在能整体提高性能的三种纳米颗粒出前了。们使用的热物理性质方程提出了用EG/的W纳米流体代替HFE 7000的属性。这是因HFE 7000的纳米流体的相关性还没有被开发出来。据了解,计算最终结果(表10)可能不是精确的,但可能提供了一个近似的趋势。最后三列显示基于相同的(a)质量流率下,传热速率(b)和(c)泵功率的比较,在热端都是EG/ W。在2.56KW的传热下,表明通过掺杂hfe - 7000我们可以减少换热