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传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试

2017-04-26 17:30阅读：

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传热流体和纳米流体导热系数测试
纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性的研究。随着热科学和技术的发展，在冶金、能源、运输、微电子、化学工程、航天器热控制、制造业中，对换热系统的效率提出了更高的要求。提高液体换热效率的一种有效方法是在基液中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，这种添加了固体粒子的两相流体的导热系数比纯液体大许多。
热导率是衡量流体强化传热能力的重要参数，纳米流体热导率更是研究者们关注的热点。C-Therm TCi导热系数仪，配备有专为液体测试的部件。小剂量液体样品和秒级测试时间，可大大消除对流传热对导热系数测试产生的影响。
C-Therm TCi采用改良瞬态平面热源法（Modified Transient Plane Source， “MTPS”），可直接对固体、液体、粉末和胶体等各种材料的导热系数和蓄热系数进行快速、精确地测定。TCi的应用领域包括传热流体、聚合物材料、相变材料、金属基复合材料、粉末材料、热界面材料、纳米材料、传热流体、隔热材料、热电材料、含能材料、建筑材料、地质材料和功能性织物等。
传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试

小剂量测试部件是最初与美国海军水面作战部一同开发用来测试含能材料的导热系数。SVTK适用于纳米和传热流体，乳液和粉末等材料的测试。在液体材料测试过程中，对流会对测试数据造成误差。而消除对流的影响，主要可以采用以下两种方式：1，减小样品体积；2，缩短测试时间。C-Therm的TCi导热系数仪配备有专门的小剂量液体测试组件（SVTK），且测试时间快速（1-3s），可消除对流对实验数据造成的影响。

传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试
技术指标
导热系数测试范围：0~500W/mK
广泛温度范围：-50~200℃，可扩展至500℃
无需样品制备，无损测试
测试时间快速：0.8~2.5秒
适用范围：可测试固体，液体，粉体，胶体
最小测试样品尺寸：0.71' (18mm) 直径
最大测试样品尺寸：不限
最小测试样品厚度：通常 0.02' (0.5mm), 基于测试物体的热传导性
标准：ASTM D7984、ASTM D5334、ASTM D5930、IEEE 442-1981

近年来，国内外学者对纳米流体技术进行了大量的研究，主要集中在以下几个方面：纳米流体体系的选择，纳米流体的制备及稳定性研究、纳米流体热导率影响因素、纳米流体强化传热机理研究等、纳米流体粘度测量及影响因素研究。理论上，几乎所有导热系数高的固体粒子都可以作为纳米流体的添加物。文献中经常报道的纳米流体的添加物有以下几类：1，金属纳米粒子（Cu、Al、Fe、Au、Ag）；2，非金属纳米粒子（氧化铝、氧化铜、四氧化三铁、二氧化钛、碳化硅）；3，碳纳米管；4，纳米液滴。常用的基液有水、机油、甲苯、丙酮、乙二醇等。
一、浓度、颗粒尺寸、热导率对纳米流体对流传热的影响
北欧Aalto University 的硕士学位论文，用C-Therm TCi测试了纳米流体的导热系数
纳米流体：SiO2纳米流体、聚苯乙烯纳米流体、Al2O3纳米流体；
基液：水
传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试
传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试
结论：从表中可知，添加纳米颗粒后，纳米流体的导热系数(λ）没有明显的增加。相同浓度下，Al2O3纳米流体的导热系数小于聚苯乙烯流体的导热系数，与文献中报道的有一定出入。Al2O3 的导热系数为12.1W/mk，而聚苯乙烯的导热系数仅为0.14W/mk。可归因于：1，由于晶体结构中的变形，纳米尺度的热导率与宏观下的热导率有所差别；2，两种流体的表面活性剂不同，聚苯乙烯流体采用高浓度的阴离子表面活性剂，而Al2O3纳米流体不使用表面活性剂。
二、丙二醇纳米流体的热导率研究
University of Alaska Fairbanks的Debendra K. Das教授[2]研究了添加不同纳米流体的热导率情况，并分析了浓度、温度和颗粒体积对热导率的影响。
基液：丙二醇和水（60:40，质量比）
纳米材料：氧化铝，氧化锌
温度范围：-30℃~+90℃
传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试
结论：相同浓度下，不同尺寸（15,20,45nm）和温度对氧化铝纳米流体导热系数的影响。结果表明，随着颗粒尺寸的增加，氧化铝的导热系数也随之增加。相同体积浓度下，大尺寸氧化铝纳米流体的导热系数更高。不同尺寸（36,50,76nm）和温度对氧化锌纳米流体导热系数的影响与氧化铝纳米流体相似。
三、nanoComposix, Inc.公司研究了应用在航天热控制系统中的纳米流体冷却剂
材料：基于水和乙二醇的冷却剂+不同尺寸银纳米棒
传热流体和纳米流体等液体材料导热系数测试
结论： 银棒的尺寸越长，含量越多，纳米流体的导热系数及其增加值越大。
纳米流体的研究技术还处于起步阶段，影响纳米流体热导率的因素，强化传热机理等问题还需要更加全面和深入的研究。C-Therm的TCi采用改良的瞬态平面热源法，可以非常方便，快速的测试纳米流体的导热系数，为科研研究过程提供重要的帮助。
参考文献
[1] Valtteri Mikkola, Ville Vuorinen. Impact of concentration, particle size and thermal conductivity on effective convective heat transfer of nanofluids .2015.
[2] J.R. Satti et al., Investigation of the thermal conductivity of propylene glycol nanofluids and comparison with correlations, Int. J. Heat Mass Transfer (2016).
[3] Steven J. Oldenburg, Andrew R. Siekkinen, Thomas K. Darlington. Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. nanoComposix, Inc. 2007-01-3128
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