微通道内水基纳米流体强化传热特性研究

相变储热材料因其储热密度大、储热过程温度恒定等优点,在热能储存以及温度调控等领域具有潜在的应用价值,但其也存在的导热系数低的缺点。另一方面,随着微电子器件、电池等功率设备的发展日趋小型化,热交换系统及单元储能元件也向更高效、更紧凑、更低能耗方向发展。采用相变储热材料进行热管理,能够对微电子器件等进行热缓冲,避免产生热失控。本文针对电子器件等热管理过程相变储热材料导热系数低的问题,将高导热TiO_2-H_2O纳米流体与微通道相结合,用以提升相变储热材料石蜡导热系数,强化换热效果,进而揭示微通道内水基纳米流体强化传热特性,主要研究内容和结论如下:(1)通过“两步法”分别制备出质量分数为ω=0.5%wt%、0.7%wt%和1.0%wt%的锐钛型A型和金红石型R型两种TiO_2-H_2O纳米流体,并对其稳定性进行了分析研究。通过Zeta电位测得两种TiO_2-H_2O纳米流体的Zeta电位值均小于-30 mV即处于较稳定状态。通过沉降观测法发现在制备过程中,未加SDBS之前,A型TiO_2-H_2O纳米流体较R型分散地更均匀,加入SDBS后,A型与R型TiO_2-H_2O纳米流体表现相当。在静置处理后发现,A型TiO_2-H_2O纳米流体第5天出现分层即颗粒沉降现象,而R型则于第7天出现分层现象。由此可知R型TiO_2-H_2O纳米流体的稳定性要优于A型。通过粒度分析法对比A型和R型TiO_2-H_2O纳米流体发现,R型TiO_2-H_2O纳米流体内颗粒平均粒径小于A型,意味着R型中的颗粒团聚体更小,纳米颗粒分散更均匀,因此其稳定性较A型更好。(2)针对A型和R型TiO_2-H_2O纳米流体的热物性,对二者导热系数以及粘度进行了测试对比。在导热系数方面,温度在20~50°C内,A型TiO_2-H_2O纳米流体在ω=0.5 wt%、0.7 wt%以及1.0 wt%时与去离子水相比,导热系数最大程度可增加1.65~2.24%、1.86~2.52%和1.99~2.88%;而R型则分别增加1.68~2.37%、1.92~2.91%和2.55~3.27%,可见R性导热系数增加幅度更大。在粘度方面,因为制备过程中使用的基液为去离子水,且加入的表面活性剂SDBS含量较少,所以A型和R型TiO_2-H_2O纳米流体所增加的粘度都较小,当温度在20~40°C区间内,ω=0.5 wt%、0.7 wt%以及1.0 wt%时,A型纳米流体粘度增加0.0280~0.0523 mPa·s,即2.76~7.45%;R型纳米流体粘度增加0.0050~0.0343 mPa·s,即0.50~4.87%,由此可见R型TiO_2-H_2O纳米流体的粘度小于A型。(3)为了揭示TiO_2-H_2O纳米流体结合微通道强化石蜡储/放热(融化/凝固)过程的相关特性规律,搭建了纳米流体结合微通道强化石蜡相变实验台。通过不同流动工质(基液去离子水与R型ω=0.5 wt%,0.7 wt%和1.0 wt%TiO_2-H_2O纳米流体)流经微通道对单元储能元件进行储/放热实验发现,在储热过程中,石蜡完全融化的时间最大降低32.90%,对应的Nu数提升范围在19~41%之间;在放热过程中,石蜡完全凝固的时间最大降低22.57%,对应的Nu数提升范围为6~14%。在ω=0.5 wt%、0.7 wt%和1.0 wt%的TiO_2-H_2O纳米流体加入微通道后,微通道两端压降有所增加,但均在8%以内。储热过程中微通道两端压降分别增大2.44%、5.06%、7.76%;放热过程中微通道两端压降分别增大3.80%、5.45%、7.53%。