研究氯化胆碱:尿素和氯化胆碱:甘油深层共晶溶剂作为对流换热的纳米流体分散剂

摘要

本文以摩尔比为1:2的氯化胆碱:尿素和氯化胆碱:甘油为深共晶溶剂(DESs)作为Al2O3纳米颗粒(NPs)的分散剂，研究其热交换特性。由于DESs的高热性能，特别是在高温下，它们成为传热应用的良好候选者。我们准备了DESs，并使用热导率仪检查了它们的热导率作为一种新的方法数据。我们提出了1、2、3、4和5 vol.%的纳米颗粒负载率来检测热效应。详细研究了层流条件下粘度、摩擦因数(f)、努塞尔数(Nu)、普朗特数(Pr)、雷诺数(Re)、传热系数(h)的关系。结果表明，两种原始DESs在所有载荷下的传热系数都高于纳米流体，这是由于DESs比NPs材料具有更高的热容量。在这里，纳米流体的传热系数随着NPs负荷的增加而降低。

关键字

深层共晶溶剂，纳米流体，摩擦因子，导热系数，努塞尔数，传热系数

简介

纳米流体是将纳米颗粒(≤100 nm)分散在流体中以提高其传热性能的产物[1］．这种类型的液体自从20多年前被引入以来，它就越来越受到关注[2]，由于制备简单，热性能有显著改善[3.］．纳米流体被广泛应用，包括变压器油[4]、电子工业[5-7]、冰箱及冷水机[8，9]，柴油燃烧和电发电机(10，11]、管道及热交换器[12，13]、太阳能、核反应堆、太空、机器冷却、催化剂和传质[3.］．

纳米流体基于布朗运动现象，粒子悬浮在流体介质中，由于体积小而不受重力影响[1］．不同的纳米粒子，如二氧化硅[14]、氧化铝[15]和copper [16]加入水中[14]，乙二醇[17]，乙二醇[18]等合成纳米流体混合物。许多研究人员将纳米流体假设为单相液体，忽略了许多物理影响和计算。因此，对悬浮液结果描述的挑战相互冲突，并且对机制的理解不足[19］．

“深共晶溶剂”一词出现于2003年[20.]用来描述由两个或多个氢键相互作用而形成的溶剂[21]，含有氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)的材料[22];最终产品的熔点比其原材料的熔点低。DESs的熔点通常低于100°C，包括一组室温下的液体[23，24］．例如，分别将氯化胆碱(mp=302°C)和尿素(mp=133°C) 1:2摩尔比混合产生的DES熔点为12°C [20.］．DESs具有许多优点，包括但不限于，低可燃性，低蒸汽压，廉价的原材料，环保绿色，广泛的电气和热窗户，可生物降解，安全，易于合成[25，26］．这些特殊的性能使它们成为许多应用的良好候选者[22］．

不同的DESs被报道为纳米颗粒的分散剂，用于不同的目的。马蒂斯等人。[27]报道了使用氯化胆碱:尿素DES分散原始和氧化的多壁碳纳米管，p-MWCNTs和o- MWCNTs。结果发现，p-多壁碳纳米管在DES中分散性较低，而o-多壁碳纳米管分散良好。艾伯特等人。[28]成功地分散了SiC和Al₂O_3.氯化胆碱中的纳米颗粒:乙二醇DES，用于银电沉积。莫塔-莫拉莱斯等人[29]将MWCNTs注入氯化胆碱:丙烯酸DES中，以不同摩尔比制备大孔聚(丙烯酸)-CNxMWCNT配合物。最近，方等人。[30.]研究了氧化石墨烯纳米颗粒在几种DESs中的分散性，这些DESs是作为纳米流体引入的。在分散性、稳定性和导热性方面观察到有希望的结果。然而，使用深层共晶溶剂作为纳米流体介质仍不普遍;事实上，要利用这种溶剂还需要做很多工作。31］．

氯化胆碱:尿素和氯化胆碱:甘油深共晶溶剂，因为它们的原料是安全而普通的[20.，32，33］．这些DESs具有广泛的热范围[32]，这促进了它们在传热方面的应用。本文测定了氯化胆碱:甘油和氯化胆碱:尿素DESs的热导率，并对DESs作为铝纳米流体分散剂进行了研究₂O_3.纳米颗粒来检测热传递。在层流区域，由于DESs的高粘度(表1)．在这种类型的应用中使用DESs的建议是由于它们的蒸汽压力可以忽略不计，这使得它们的使用安全，可靠，并克服了水操作的问题。

表1:研究中使用的希腊符号。

材料

氯化胆碱(ChCl, 99%， ACROS Organics)、甘油(≥99.5)和尿素(99.0%)购自Fisher Scientific (Pittsburgh, PA, USA)制备DESs。Millipore DI水系统(18.2 MΩ.cm)由Synergy 185, EMD Millipore公司(比勒里卡，MA，美国)生产，用于提供清洁用水。

DESs的实施和特征

“发展需求评估”是根据先前报告的工作而拟备的[32］．的化学物质均按原样使用，未作进一步处理。分别以1:2的比例合成了氯化胆碱:尿素(DES1)和氯化胆碱:甘油(DES2)混合物。混合物是通过混合反应物并加热到80°C并搅拌几个小时来制备的。最终，无色的产品形成，储存在密封的容器中，以防止任何可能的水分。

热导率测试使用TLS-100热导率仪(ThermTest Inc, Fredericton, NB, Canada)进行。结果在室温下得到，重复三次计算平均值;计算标准偏差并报告为误差条。

系统设置

本工作中建议使用的系统设计如图所示图1并用于研究热流体到纳米流体的传热过程。该过程由两个回路组成，每个回路有一个油箱、泵、流量计和两个热电偶;两个回路都连接到管壳式热交换器。换热器的建议长度为1米，包括40根直径5毫米的管子。采用不同流速(100 ~ 300 L/min)和NPs加载量(1% ~ 5%)进行计算。本研究计算中使用的粘度和密度值基于我们之前的报告[32，33]，而采用的热容已在以前的工作中提出[34］．上述性质的计算纳米流体，并说明在下一节。

数据处理

2-4-1密度

纳米流体密度相关性由Pak和Cho提出[35]，可定义为:

(1）

式中ρnf为纳米流体密度，∅Al的体积浓度₂O_3.ρf和ρp分别为基液和纳米颗粒的密度。

2-4-2比热容

宣和Roetzel [36]提出了计算纳米流体比热容的关系式:

（2）

其中Cpnf、Cpf和Cpp分别为纳米流体、基液和纳米颗粒的热容。

2-4-3热导率

利用Yu和Choi引入的方程计算了纳米流体的导热系数[37):

（3）

其中Knf、Kf和K分别为纳米流体、基流体和纳米颗粒热导率。

2-4-4粘度

利用Drew和Passman提出的爱因斯坦方程计算纳米流体粘度[38]，适用于分数体积小于5 vol%的球形颗粒，如下图所示:

（4）

其中μnf和μf分别为纳米流体和基液(DES)的粘度。

2-4-5摩擦系数

估算了纯DESs和纳米流体的摩擦因子[39):

f= 64 /再保险（5）

雷诺数[40]可计算如下:

Re =VD /υ(6）

其中V为流体速度，D为管径，υ为运动粘度，可通过以下公式计算:

υ = μ / ρ(7）

2-4-6努塞尔数

利用Seider-Tate方程[41]，如下所示:

（8）

式中Nu为努塞尔数、Re雷诺数、Pr普朗特数，计算公式为[42]:

Pr = ([Cp]_ nf μ nf) / k_ nf（9)

值得注意的是，本文假设μnf和μwnf相等，忽略了上述方程的第二项。

层流范围内强制对流换热系数[43]可由以下公式计算:

nu_ nf = hD / k_ nf

式中，h、D、K分别为传热系数、管径、导热系数。

结果与讨论

温度对纳米流体粘度的影响

利用Drew和Passman对两相混合物的爱因斯坦公式(公式4)估算了纳米流体的粘度。众所周知，由于离子的迁移率较高，动态粘度随着温度的升高而降低，基于阿伦尼乌斯方程[33］．纳米流体的粘度在30°C至70°C范围内作为温度的函数进行了研究，如图所示图2a及2b．从图中可以看出，NPs的加入对低温黏度的影响较小。然而，随着温度的升高，这种影响逐渐减弱。另一方面，在所有NPs负载下，流体都遵循阿伦尼乌斯行为。温度的升高降低了分子的内阻，使得流体更容易流动。当考虑到温度对动态粘度的依赖性时，阿伦尼乌斯方程被认为是描述这种行为的简单表达式。数据显示，在不同NPs比率下，两种DESs的曲线相同;DES1的粘度高于DES2。尿素由于其酰胺型，对粘度的影响比甘油大，可使氯离子与尿素形成自氢键[44］．

NPs加载对流体摩擦系数的影响

用公式6计算了纯DESs与纳米流体的摩擦因子，并给出了摩擦因子与雷诺数的关系图3a及3b(a) DES1及(b) DES2。结果表明，在相同的速度(2.12 m/s)下，由于DES1的粘度较高，其摩擦系数(2.662)比DES2(1.382)高，这是由于尿素的存在[32］．从这两个图中可以看出，在所有NPs比下，摩擦因子都随着Re数的增加而降低。另一方面，随着NPs比值的增加，钻井液粘度略有增加，这可以归因于基底流体粘度较高(从图中看不出差异)。据报道，纳米颗粒增加了流体的粘度，导致了更高的摩擦系数，这是由于Re数的降低[45，46］．然而，在我们的DESs系统中，由于DESs的高粘度，增加NPs负载并不会影响摩擦因数。为了评估我们的研究结果，我们将DES1和DES2的摩擦因子与加载比为2%的水进行了比较，并考虑了不同的应用流量[47］．本研究的摩擦系数要高得多，可以改善传热交换[20.］．然而，增加纳米流体粘度会使纳米颗粒团聚，从而增加泵送系统的功率。

努塞尔数与Re和Pr数的关系

Nu数可定义为对流换热与传导换热之比[43]，由式8计算。图4a和4b在不同NPs负载下，将Nu数表示为DESs的Re数的函数。结果表明:基质流体的Nu值高于纳米流体;Nu数随NPs比值的增加而降低，随Re数的增加而增加[48］．这是由于NPs对纳米流体的密度和粘度的影响，据此估算了Re数。随着Re数的增加，DES2的Nu数比DES1高。图5a和5b表示Nu数与Pr数的关系。Pr数由式9计算，文中实际测量了热导率。DES1的导热系数为0.354±0.06,DES2的导热系数为0.378±0.07。从图中可以看出，在相同的Pr数下，DES2的Nu数高于DES1。Nu数随NPs负荷的增加而减少，Pr数随NPs负荷的增加而增加。当NPs负载率为0%时，DES1和DES2的最大Nusselt数分别为57.116和67.442。图6说明了NPs比值对Pr数的影响，其中DES1的粘度较高，导热系数较低，因此Pr值高于DES2。随着NPs比例的增加，热容降低，导热系数增加，Pr数降低。结果表明，流体与纳米颗粒之间的摩擦力、布朗力、团聚等因素会影响传热过程重力［15］．

NPs负荷对换热系数的影响

对流换热系数(h)是换热器设计中的一个重要参数。在本报告中，它由式10计算，并作为NPs负荷的函数进行研究，如图所示图7a和7b分别为DES1和2。结果表明，DES2具有较高的换热系数(1699.54 W/m)²K)比DES1 (1347.95 W/m²K)作为基础液，流速为100 L/min。结果表明，随着流量的增加(Re数的增加)和NPs负荷的减小，换热系数逐渐增大。当体积浓度为0%，流速为300 L/min时，换热系数最大，分别为4043.85和5098.63 W/m²分别为DES1和2的K。添加5% NPs后，这两个值分别为3495.89和4513.73 W/m²分别为DES1和2的K。这种减少归因于Pr数的减少，而Pr数的减少是由于DESs的热容高于NPs的热容而增加的NPs。麦加等人[49]对不同体系中纳米流体在层流区的强制对流换热进行了数值研究，得出了与我们相矛盾的结论。这种分歧是因为他们使用了水，而水的热容量比NPs低;而DESs的热容值高得多。在其他研究中，发现纳米颗粒可以影响其他物理性质，如比热、比质量和动态粘度[35，50］．对流运动与NPs密度和热容成正比，与形状因子和热容成反比热电导率(51，52］．然而，我们的发现与纳米流体的一般概念相反，填充NPs会增加h。在这里，可以得出结论，通常用于计算热性质的方程不适用于高粘度和热容的流体。建议进行实验研究，对结果进行比较，并计算值的差异。

结论

测定并报告了氯化胆碱:尿素和氯化胆碱:甘油的热导率。艾尔₂O_3.纳米颗粒在深共晶溶剂中分散，在水平管壳式换热器中流动，并使用纳米流体相关性从理论上研究了传热性能。研究了纳米颗粒的加入对摩擦系数、努塞尔数、传热系数和流动行为的影响。研究发现，纯DESs比纳米流体具有更高的传热系数，这是由于它们具有较高的热容。尽管DESs的粘度比水高，需要高压泵送系统，但由于其独特的性能，仍然建议使用DESs，特别是在高温下。以300 L/min的流量注入5 vol%的NPs，换热系数从4043.85降至5098.63 W/m²K到3495.89和4513.72 W/m²分别为DES1和2的K。当纯DESs加载5% NPs时，des1和des2的nusselt值分别从57.12和67.44下降到46.61和56.42。最后，由于高粘度，NPs浓度的增加对摩擦因数没有影响。

鸣谢

我们非常感谢伊拉克教育发展高级委员会对这项工作的支持。同时，我们要感谢密苏里科技大学化学工程系的Muthanna Al-Dahhan博士为他的实验室提供了进行热导率测试的机会。

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