熱電制冷液冷服內納米流體自然循環換熱特性

段　煉　韓吉田　霍　沖　曹琳琳

(山東大學能源與動力工程學院, 濟南 250061)

高溫環境作業人員[1-2]的熱防護對于保障其身體健康和提高工作效率具有重要意義．目前對高溫作業人員進行熱防護的一種有效方法是利用人體熱防護系統．現有的人體熱防護系統主要包括采用空調系統對局部空間制冷和采用人體冷卻系統對人體實施微環境降溫[3]．人體冷卻系統由于具有結構簡單、尺寸小、重量輕、能耗低、降溫效果好等優點而受到了青睞．在人體冷卻系統中應用最為廣泛的是液體冷卻服(或叫液冷服)．液冷服具有換熱量大、冷卻效果好、有效工作時間長等優點[4],已成為人體熱防護系統的主要研究方向之一．

為液冷服提供冷源的制冷系統是決定液冷服工作效能的一個關鍵因素．現有液冷服采用的制冷系統主要有壓縮式制冷、吸收式制冷和熱電制冷．其中,熱電制冷系統具有結構緊湊輕便、無運動部件等優點[5],因此更符合液冷服耐顛簸移動、便于分散布置等性能要求．現有的液冷服主要采用泵作為冷卻液強制循環提供動力．這有利于保障冷卻液的有效循環,但也增加了泵的能耗和由于泵的故障而導致冷卻液不能有效循環等問題．因此,如果能采用冷卻液的自然循環代替現有的強制循環,則既可保證冷卻液循環的可靠性,又可不配置循環泵．由于常規流體自然循環的流速和換熱系數均較低,因而,如何有效強化冷卻液自然循環系統的換熱能力是提高液冷服冷卻效果的關鍵之一．

近年來納米流體強化換熱技術已成為提高冷卻介質換熱能力的一種有效方法[4,6]．1995年美國Argonne國家實驗室的Choi等[7]首次提出了納米流體的概念,從此開辟了納米流體強化換熱研究的一個新方向．已有研究結果表明,納米流體既可以提高基液的導熱系數[8-10],也可以有效提高強迫對流的換熱系數[11-13]．近二十多年來,國內外已對納米流體的換熱特性與強化機理進行了較系統的研究,但在已有的納米流體強化換熱研究中涉及液冷服和自然循環的相關研究報道卻很少．最近王濤等[14]實驗研究了TiO2納米流體對液冷服工作性能的影響,研究結果表明,TiO2納米流體工質進口溫度、質量流量和納米顆粒體積分數等參數對液冷服的工作性能有很大影響,通過合理匹配相關參數可以提高液冷服的工作性能．Koca等[15]研究了銀-水納米流體在平板太陽能集熱器中的自然對流換熱特性,研究結果表明,銀-水納米流體可以提高平板太陽能集熱器的自然對流換熱效率．為了研究液冷服冷卻系統內納米流體自然循環的換熱特性,本文基于自行研發的熱電制冷的液冷服基礎上,搭建液冷服自然循環換熱特性實驗系統,以去離子水基液中添加不同種類、粒徑和體積分數的納米流體為液冷服的冷卻液,對液冷服冷卻系統內納米流體自然循環換熱特性進行實驗研究,為基于納米流體的熱電制冷液冷服的發展提供依據．

1　實驗材料和方法

為了研究人體冷卻工況下液冷服冷卻系統內納米流體自然循環的換熱特性,設計了如圖1所示的實驗裝置．它主要由散熱風扇、熱管散熱器、熱電制冷元件、泡沫金屬、液體冷卻器、寶塔接頭、逆止閥、滴管、循環管路、套管加熱器、轉子流量計、熱水泵、熱水管路、恒溫水浴箱等組成．

圖1　實驗系統結構圖1—散熱風扇; 2—熱管散熱器;3—熱電制冷元件; 4—泡沫金屬; 5—液體冷卻器; 6—寶塔接頭; 7—逆止閥; 8—滴管; 9—循環管路; 10—套管加熱器;11—轉子流量計;12—熱水泵;13—熱水管路;14—恒溫水浴箱

實驗系統采用型號為TEC12710的熱電制冷元件,元件的冷端與液體冷卻器貼合,熱端安裝了由6根熱管和直流散熱風扇構成的散熱器以保證其充分散熱,其熱端和冷端貼合處都均勻涂抹含納米高分子材料的導熱硅脂，以降低接觸熱阻．

如圖2(a)所示,液體冷卻器主體由透明亞克力板雕刻成的腔體,并填充有開孔率為110PPI的純銅泡沫金屬,腔體表面覆蓋鋁板換熱表面,鋁板與亞克力板之間采用改性丙烯酸脂膠黏劑粘接,用RTV硅橡膠密封和螺栓緊固以保證換熱腔體的密封性,并在液體冷卻器的非換熱面開有通孔，且安裝了寶塔接頭作為導熱液體的進口和出口．

導熱介質的循環管路采用管徑6 mm、壁厚1 mm的硅膠軟管,軟管呈U形自然下垂而形成液體下降管段和上升管段2部分．在液體下降管段上設置了用于一次性輸液器上的滴管,使用視頻拍攝設備記錄液滴的滴落過程,并對液滴進行計數從而

(a) 液體冷卻器

(b) 套管加熱器

圖2液體冷卻器及套管加熱器

計算液體循環的流速．實驗前使用限流裝置控制液滴速度,收集和稱量滴落的純凈水,經多次測試標定,滴落的液滴體積為2 000滴((100±1%)mL)．在液體上升管段設置了套管加熱器,套管加熱器結構如圖2(b)所示．套管加熱器利用一根長10 cm、管徑10 mm、壁厚1 mm的硅膠軟管將部分液體上升管段套于其內部,兩管之間通入恒溫熱水模擬人體散熱,對上升管段內的液體進行加熱．恒溫熱水采用恒溫水浴箱制取,并用熱水泵送入套管加熱器．除滴管的部分管段裸露外,其余管路均包裹有15 mm 厚的聚氨酯保溫棉．循環管路上設置了多處溫度數據采集點,包括液體冷卻器進出口溫度、套管加熱器進出口溫度、恒溫熱水進出口溫度等．使用Pt100熱電阻連接Solartron 5000IPM數據采集儀,測試和記錄采集點的溫度數據．同時測量熱電制冷片的冷端溫度、熱端溫度、環境溫度等,并用轉子流量計控制和測量恒溫熱水的流量．

為了實驗研究納米流體的種類、粒徑和體積分數對其自然對流換熱特性的影響,首先以去離子水為基液,分別配置平均粒徑50 nm、體積分數均為0.5%的TiO2,CuO,Cu顆粒制成3種不同的納米流體作為實驗流體,并與去離子水在多種工況下進行了對比實驗．針對不同粒徑的TiO2納米流體,分別配置了平均粒徑為20,50和100 nm的水基納米流體,研究了顆粒粒徑對自然循環過程換熱產生的影響．最后又使用平均粒徑為50 nm的TiO2顆粒配制了體積分數分別為0.2%,0.5%和1.0%的水基納米流體,針對不同體積分數對循環過程的換熱特性產生的影響進行了研究．

目前較為常用的納米流體制備方法主要有氣相沉積法、分散法和共混法[5],本研究采用的是共混法．實驗采用去離子水為基液,首先將去離子水和納米金屬粉末進行精確稱重,按照所需比例混合,再加入質量分數為1.5%的分散劑SDBS(十二烷基苯磺酸鈉)．將混合液攪拌均勻,再使用超聲震蕩分散3 h以上．用試管取少量制備好的納米流體垂直靜置,其余部分在短時間內即用于實驗.實驗結束后試管內的納米流體未出現明顯的沉降現象,即證明其穩定性能夠滿足實驗要求．

實驗過程中,為消除環境溫度的波動對實驗系統的影響,將實驗裝置整體放置于高精度恒溫恒濕箱中,保證實驗環境溫度恒定在(26±0.2)℃,相對濕度范圍為40%～50%．

2　數據處理與誤差分析

當實驗系統達到穩定狀態后,可根據輸入電壓和電流計算熱電制冷元件的輸入功率,其總制冷量和制冷功率可根據其冷熱端溫差和輸入功率得到．系統通過液體冷卻器輸出的制冷量和制冷功率計算式為

Qs=cp,nfms,nf(TLC,in-TLC,out)

(1)

qs=cp,nfρnfuA(TLC,in-TLC,out)

(2)

式中,Qs為制冷量,J;cp,nf為工質比熱, J/(kg·K);ms,nf為工質質量,kg;TLC,in為液體冷卻器入口溫度,℃;TLC,out為液體冷卻器出口溫度,℃;qs為制冷功率,W;ρnf為工質密度,kg/m3;u為循環流速,m/s;A為循環管路截面積,m2．

其中,cp,nf和ρnf的計算公式為

cp,nf=cp,wxm,w+cp,nxm,n+cp,dxm,d

(3)

ρnf=ρwxV,w+ρnxV,n+ρdxV,d

(4)

式中,cp,w為水的比熱,J/(kg·K);cp,n為納米顆粒的比熱,J/(kg·K);cp,d為分散劑的比熱,J/(kg·K);xm,w為水的質量分數,%;xm,n為納米顆粒的質量分數,%;xm,d為分散劑的質量分數,%;ρw為水的密度,kg/m3;ρn為納米顆粒的密度,kg/m3;ρd為分散劑的密度,kg/m3;xV,w為水的體積分數,%;xV,n為納米顆粒的體積分數,%;xV,d為分散劑的體積分數,%．

實驗中對基液和納米顆粒均采用型號JJ323BC的分析天平稱重,該天平最大量程為320 g，分辨率為0.001 g,實驗中所稱重的材料質量范圍在數十至數百克不等,因此所配置的納米流體濃度誤差可忽略．采用Pt100熱敏電阻測量液體溫度,精度等級A級,采用三線制接法以消除導線電阻的影響．采用Solartron 5000 IPM數據采集儀采集與顯示數據．測溫系統使用比較法進行了多點溫度校驗,保證了溫度測量的絕對誤差小于±0.2 ℃．

管內流量測量采用滴管內液滴滴落速度進行測量．實驗前使用限流裝置控制液滴速度,對30 min內滴落的去離子水進行了收集和稱量,經多次測試標定,在本研究的流量范圍內滴落的液滴體積為(0.05±1%)mL．液滴記錄采用OV2710高幀率攝像頭模組,在分辨率為640×480像素的錄制模式下,幀數為120幀,采用視頻編輯軟件逐幀分析統計滴落時間的誤差為1/120 s,實驗過程中液滴滴落時間間隔不小于0.5 s,因此相對誤差為±1.67%．

體積流量測量的相對誤差為

使用精度為0.02 mm的游標卡尺測量實驗管徑與管長,管徑測量的相對誤差為±0.5%,管長測量誤差可忽略不計．

因此,實驗流速測量的相對誤差為

在液冷器輸出制冷功率的計算中,因在實驗初期(TLC,in-TLC,out)的絕對數值由0 ℃開始變化,因此相對誤差較大．但進入穩定工作狀態后,(TLC,in-TLC,out)數值不小于20 ℃,因此相對誤差小于±(0.2+0.2)/20=±2%．

進入穩定工作后,液冷器輸出制冷功率的相對誤差為

±3.13%

3　實驗結果分析

本研究首先配制了平均粒徑50 nm、體積分數均為0.5%的TiO2,CuO,Cu顆粒制成的納米流體,與去離子水在環境溫度為(26±0.5)℃的工況下進行了對比實驗．為消除因添加分散劑SDBS而改變液體冰點帶來的影響,在去離子水中也加入了同樣質量分數的SDBS．

實驗在熱電制冷元件6 V/18 W(固定輸入電壓/平均輸入功率)工況下進行．TiO2,CuO,Cu納米流體與去離子水在相同工況下的液體冷卻器輸出制冷功率對比如圖3所示.在相同的工況下,使用納米流體可顯著提升裝置的輸出制冷功率,其中TiO2和CuO納米流體分別較去離子水提高了10%和13%,Cu納米流體效果最為顯著,提升幅度為25%．這主要是因為納米顆粒的加入,一方面顆粒本身的導熱系數大于基液,在改變基液基礎結構的同時提高了基業整體的導熱系數;另一方面納米顆粒在基液中的布朗運動也會增強熱擴散和能量遷移等微觀效應．此外,從系統進入穩定工況所用的時間來看,去離子水約為1 000 s;TiO2和CuO納米流體較為接近,約為800 s;而Cu納米流體用時最短,600 s內即可達到穩定工況,比去離子水快40%以上．這主要是因為納米流體較去離子水提升了換熱能力,而納米流體比熱卻比去離子水比熱更小,所以實驗中納米流體溫度變化的速度快于去離子水．而自然對流工質循環的動力來自于冷熱流體的密度差,流體溫度變化越快, 密度差變化就越大,循環流速也會相應地加快,從而進一步增大了循環流體的對流換熱系數,使納米流體進入穩定工作狀態的速度比去離子水有了較大提高．

圖3　液體冷卻器輸出制冷功率圖(6 V/18 W工況)

當進一步增大熱電制冷元件的輸入功率至8 V/33.6 W工況時,不同工質的液體冷卻器輸出制冷功率對比如圖4所示．由圖可見,實驗進行到800 s后,去離子水的液體冷卻器輸出功率迅速下降,在很短時間內就降至0．此時打開保溫層,可以觀察到液冷器內部出現了明顯的結冰現象,結冰阻礙了液體的循環,使得系統無法繼續工作．而實驗工質分別為TiO2,CuO和Cu的納米流體均能夠正常循環工作．由于去離子水中也添加了相同濃度的

圖4　液體冷卻器輸出制冷功率圖(8 V/33.6 W工況)

分散劑SDBS,幾種工作液體的冰點無明顯差異,則可認為是因為幾種納米流體的導熱能力較強,使得冷量能夠及時傳導出液冷器,避免了結冰現象的發生．其中,Cu納米流體表現出了較好的導熱性能,使得熱電制冷元件的冷端溫度能夠一直維持在0 ℃以上．

當進一步提高熱電制冷元件的輸入功率至10 V/55 W工況時,TiO2和CuO納米流體在短時間內即發生了結冰現象,導致循環無法順利進行,只有Cu納米流體可在此工況下正常工作．實驗在系統進入穩定狀態后,對1 200～1 800 s內各測點的輸出制冷功率的平均值進行了統計計算,因結冰無法正常工作制冷功率記為0,計算結果如圖5所示,其中計算流速采用了1 200～1 800 s內滴管內滴落的總液滴體積除以時間的穩態平均流速．由圖5可以看出,在現有的實驗條件下,使用納米流體作為工質均能夠大幅提升系統輸出冷量的能力,其中Cu納米流體的最大輸出制冷功率達到了12.86 W,較去離子水的最大輸出冷功率6.57 W提高了約95%．

圖5　不同工質穩態平均輸出制冷功率圖

本實驗還配置了平均粒徑分別為20,50和100 nm的TiO2納米流體,顆粒的體積分數均為0.5%,對不同尺寸的納米顆粒的換熱特性進行了對比實驗．以熱電制冷元件8 V/33.6 W工況為例,液冷器的輸出功率如圖6所示．實驗數據表明,在體積分數相同的情況下,減小納米顆粒平均粒徑,可以增強納米流體的換熱能力．這主要是因為體積分數相同時,平均粒徑越小的納米流體含有的納米顆粒數量越多,顆粒的布朗運動也越強烈,這就強化了熱量的傳遞,增強了納米流體的換熱能力．

本實驗還配置了體積分數φ分別為0.5%,1.0%和1.5%的TiO2納米流體,平均粒徑均為50 nm,對不同體積分數的納米顆粒的換熱特性進

圖6　不同顆粒直徑液體冷卻器輸出制冷功率對比圖　(8 V/33.6 W工況)

行了對比實驗．同樣以熱電制冷元件8 V/33.6 W工況為例,液冷器的輸出功率如圖7所示．實驗數據表明,在平均粒徑相同的情況下,增大納米顆粒體積分數,可以增強其換熱能力．這主要是因為納米顆粒體積分數增加,不但增大了納米流體的靜態導熱系數,而且流體中更多作為傳熱載體的粒子也會增大納米流體的動態導熱系數．然而由圖7可見,體積分數為1.5%的納米流體在1 400 s后出現了液冷器輸出制冷功率下降的情況．經過觀察發現,液冷器內出現了肉眼可觀察到的納米積聚現象,這可能是由于高濃度的納米流體更容易在泡沫銅的孔徑內積聚,從而影響了換熱效果．

圖7　不同體積分數液冷器輸出制冷功率圖　(8 V/33.6 W工況)

4　結論

1) 采用納米流體可顯著提高制冷裝置在自然循環方式下的冷量輸出功率,其中Cu納米流體效果最好,相同工況下較去離子水提高了25%以上,并且能夠滿足更大功率的制冷工況要求,最大輸出制冷功率較去離子水提高了約95%．

2) 增大納米顆粒的平均粒徑和體積分數均可以增強熱電制冷人體冷卻裝置的換熱能力,但體積分數過大容易導致納米顆粒積聚等現象,影響長期使用的換熱效果．

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