摘 要

近年来有许多人已经将两相流的研究成果应用到了工业生产当中，例如：针对裂解炉冷却壁管内污垢沉积而导致传热效率低的问题，可以将固体颗粒加入到冷却器的冷却管中形成固液两相流流体；普遍在换热器流体中加入各种固体颗粒，使得换热器内流体的传热效率得到提升同时还可以防止管内的污垢堆积，从而减小热阻节约能源。从单相流动换热到两相流动换热，方向不断变宽发展非常迅猛。在这个领域的技术水平与美国等世界发达国家还有较大差距，这些有技术优势的国家在中国先后都开始了专利布局，因此微通道换热器的竞争必然会更加激烈。固液两相的传热模拟实验结果显示，固液两相流体的传热效率以及流动性能均优于传统未加入固体颗粒的工质。

在实验室内进行小型换热实验，分别用二氧化钛和二氧化硅与无水乙醇溶液配置出不同的固液混合纳米溶液、水及无水乙醇溶液作为实验样品。通过注射泵把分别把不同的样品溶液打入带加热板的微通道进行强制循环。在设定的条件下，通过改变介质的流速或加热器的加热功率来采集雷诺数的变化数据；然后又采集在不同的流速下各种试验介质的换热系数的变化数据。最后将采集的实验数据进行分析和筛选，通过列表和绘画曲线来观察相互的变化关系。

在恒定的流速下，各种工质的雷诺数基本不随微通道的加热功率的变化而变化，雷诺数与温度变化无关。在微通道加热器功率不变的情况下，各种工质的雷诺数随着介质的流速的增大而增大，雷诺数与流速成正比。同种介质在其他条件不变的情况下，流速增大雷诺数增大，同时通过计算得知换热系数将随着雷诺数的增加而变大。同样流速情况下，乙醇溶液的雷诺数大于纳米溶液的雷诺数，但换热系数纳米溶液大于乙醇溶液。同样条件下，二氧化钛和二氧化硅两种纳米溶液的雷诺数和换热系数基本相同。

关键字：固液两相流 传热 微通道 纳米颗粒

Flow and heat transfer experiment of solid-liquid two-phase flow

Abstract

In recent years, there are many people who apply the research results of two-phase flow in process industry. such as: for the cooling wall of blast furnace tube fouling due to low heat transfer efficiency, can be add some solid particle to the cooling tube, and then formation a two-phase fluid by solid and liquid mixed flow, because of this not only could improve the heat transfer efficiency but also can prevent the accumulation of dirt inside the pipe, therefore reduce the heat resistance and save energy. From the single phase flow heat transfer develop to the two-phase flow heat transfer, the direction will be wide, and development is very rapid. Currently we still have very big distance with the developed countries such as the United States in the direction of the technology of this field. These countries already started the layout of the patent in China, so micro channel heat exchanger competition will be more intense. The heat transfer simulation experiments of solid-liquid two-phase shows that the heat transfer efficiency and flow performance of solid-liquid two-phase fluid are better than traditional process fluid without solid particles.

To do small heat exchange test in laboratory, prepare experimental sample by the different NM solution of TiO2 and SiO2, water and absolute ethyl alcohol. And then inject the different sample to micro channel which equipped electrical plate by respectively and make the enforce circulation. Under the special conditions, collect the different Reynold number when change the fluid flow rate or the power of electrical heater, and then record the change trend of the coefficient of heat transfer under the different flow rate. Afterwards we need sort and analysis the recorded data to study the variation relationship between all mentioned parameters by chart or graphs.

At a constant flow rate, all Reynold number of different fluids did not change when the power of electrical heater change. Keep the power of electrical heater as a constant, all Reynold number of different fluids will be changed along with the flow rate change in direct proportional. Keep same conditions, the Reynold number will be increase when the flow rate is increase. At the same time the coefficient of heat transfer also to be increase according to the result of calculations。Keep same flow rate, the Reynold number of ethyl alcohol is bigger than NM solutions, however the coefficient of heat transfer is inverse trend with Reynold number.Under same conditions, two kinds NM solution has almost same Reynold number and coefficient of heat transfer.

Key words:Solid-liquid two-phase; flow Conduct heat; Microchannel; Nanoparticle

目 录

摘要 2

Abstract 3

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 本文主要内容 1

第二章 实验装置、原理及方法 3

2.1 实验平台 3

2.2 实验设备 4

2.2.1 实验段 4

2.2.2 温度传感器 5

2.2.3 压力及流量测量设备 7

2.2.4纳米流体的制备 9

2.3 实验过程及方法 9

2.3.1 实验准备 9

2.3.2 实验步骤及方法 10

2.3.3 实验注意事项 11

2.4 本章小结 11

第三章 固液两相流传热实验及结果分析 12

3.1 实验数据处理 12

3.1.1 入口雷诺数Re 12

3.1.2 流速与换热系数 13

3.1.3 努塞尔数 16

3.2 误差分析 17

3.3 本章小结 17

第四章 固液两相流流动实验及结果分析 18

4.1 微通道内流体流动与阻力特性 18

4.1.1 摩擦系数与压降 18

4.2 误差分析 22

4.3 成本核算 22

4.3.1 实验装置经济性分析 22

4.4 本章小结 23

第五章 结论与展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

致谢 26

绪论

1.1 课题背景及意义

长期以来，国内对固液两相流流动和传热的研究相对较少。两相流及其传热是建立在热力学、传热学和流体力学基础上的。众所周知，两相流在自然界无处不在，水在河流中。不仅在自然界中，在工业生产也同样有着许多这样的两相流流体，如天然气矿井喷出时自带的大量泥沙，排空的烟道气含有不少的煤灰、煤粉；在塔器的操作过程中上升气相流体带中有液滴等等，这些都是典型的两相流工况。最近几年，由于对两相流认识的不断加深，尤其是对两相流的换热性与流动性的实践与研究有了很大的进步，于是越来越多的人尝试将两相流原理应用在工业生产中。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

近年来，许多工业强国都不断的对固液两相流进行研究，并先后成立了许多专门研究固液两相流传热和流动特性的研究部门，也出版一些关于两相流最新研究成果的刊物与书籍，通过对两相流各种换热特性与流动特性的不断研究有助于工业生产，科学技术等领域的发展。例如：核反应堆中的汽-水和液-液两相流动具有固-液流动中从未遇到过的难题。这里颗粒的形状是可变的，于是就产生了界面面积的变化，以及相变及相间相互作用。Zuber是这方面工作的先驱，系统的理论可参见Lahey和Moody的论著。

关于流体的稳定性以及颗粒沉淀特性等，Engelund和Fredsdpe给出了这方面的近期展望。其他的还有许多涉及两相流理论某一方面的论述，例如钱宁等人关于河流泥沙运动，Bagnold的风沙和荒漠沙丘物理学，Govier和Aziz的管道混合流动，Hewitts和Hall-Taylor关于环形流以及Tong关于沸腾传热等方面的专著。如今，越来越多的人意识到两相流在传热领域存在着巨大的未被开发利用的潜能。

1.3 本文主要内容

最近几年，不断的有人对固液两相的传热进行研究和实验，要将固液两相流传热从实验室应用到实际生产之中，不仅仅需要对两相流的稳定性和化学性质进行研究，同时还必须了解它在实际应用条件下的换热性和流动状态。

基于此，本论文设计在实验室内进行小型换热实验，分别把二氧化钛和二氧化硅溶解于乙醇溶液配置出不同浓度的固液混合溶液，并且在强制流动情况下研究其传热性能，将实验采集的实验数据进行分析和筛选，确定实验中最佳的换热系数，为将来将固液两相流流体应用在工业生产做准备。以下是实验的主要内容及方法：

准备微通道两相流---纳米流体流动传热实验装置以及相应的温度，压强等数据记录系统，并将各个装置互相连接，检查装置的密封性是否合格。

以二氧化钛与无水乙醇配置纳米流体进行固-液两相传热实验，用实验仪器记录不同加热功率和质量流量下的实验数据。

以二氧化硅与无水乙醇配置纳米流体进行固-液两相传热实验，用实验仪器记录不同加热功率和质量流量下的实验数据。

处理实验数据，结合相关文献资料将实验数据与之进行比对研究。分析微通道内的固-液两相流流体流动特性与传热特性，对课题进行总结。

实验装置、原理及方法

2.1 实验平台

本次实验使用的是以二氧化硅和二氧化钛分别与无水乙醇配置的纳米流体，测量其对微通道传热效率以及流动特性，并同时以水和无水乙醇进行实验对照，以分析微通道内固液两相流纳米流体的换热特性及流动状态。通过查阅相关的文献及书籍，发现实验中可能出现的问题，归纳出最佳方案。

图2-1实验系统

实验系统装置如图2-1所示，由储液槽、注射泵、流量计、加热板、废液箱、温度传感器、压力变送器和其他辅助设备组成。首先把配置好的固液两相溶液由注射泵经过流量计后打入微通道加热（微通道底部带加热板），最后经过出水口流入废液箱。主要设备及功能描述如下：

• • 储液箱：储存及预热实验所需工质。箱体外包裹保温材料，以保持工质温度。
  • 蠕动泵：为实验段内的流体提供流动所需的动力。
  • 流量计：检测试验过程中介质流量。
  • 加热元件：电加热板，加热板底端与调压器相连来调节电压，控制其加热功率。电加热板下垫入适量石灰板，并且在入口与进口处包裹保温棉以减少热量损失。
  • 废液箱：收集经过微通道的流体介质。
  • 数据测量以及采集系统：RDXL 12SD测温仪，压力变送器，单回路数字显示控制仪，在实验过程中用来测量过程温度以及压力，并且把过程温度和压力转化为标准电信号作为实验中的实时数据，实验完毕之后可以导入电脑，进行分析及计算。

2.2 实验设备

2.2.1 实验段

一般来说，我们根据管路的当量直径将管路分为常规管道、小管道、微管道和纳管道，如下表所示。

表2-1根据当量直径的管道分类

本次实验采用微管道，常压下进行，实验段各部分结构如下所示：

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