一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法

技术领域

本申请涉及纳米植物绝缘油的导热计算领域，尤其涉及一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法。

背景技术

植物绝缘油是如今高压电气设备中常用的电介质，不同于矿物绝缘油，因其绿色环保的独特优势对智能电网的推动以及整个电力系统的绝缘和安全性都起到了关键作用。国内外针对纳米矿物绝缘油已开展了相关的研究，然而对于纳米植物绝缘油的研究却鲜见报道。植物绝缘绝缘油由多种甘油三酸酯分子构成，其理化特性与以芳香烃、环烷烃为主要成分的矿物绝缘油存在显著不同，将导致纳米植物绝缘油与纳米矿物绝缘油的理化与介电性能不同；植物绝缘油与矿物绝缘油运动粘度的差异，使纳米粒子在绝缘油中的动力学特性存在差异，从而使二者具有不同的击穿特性。

此外，纳米粒子在液体电介质中的分散稳定性一方面与基液的粘度有关，另一方面根据“相似相溶”原理，纳米表面活性剂应与基液极性相似，才能保证纳米粒子在液体电介质中的分散稳定。植物绝缘油由多种甘油三酸酯组成，甘油三酸酯分子的极性与矿物绝缘油烷烃分子的极性不同，可能会导致在制备纳米矿物绝缘油时，表面活性剂的选择也有所差异。因此，为使得纳米植物绝缘油在电力变压器中得到实际的推广应用，需要解决若干关键问题，这些问题包括：纳米粒子具有极高的比表面积和表面活性，导致纳米粒子易于团聚。此外，目前针对纳米流体的几种导热系数导热模型，存在明显的应用局限性，尤其缺乏针对纳米表面活性剂的影响分析。

发明内容

本申请提供了一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法，以解决目前针对纳米流体的几种导热系数导热模型，存在明显的应用局限性，尤其缺乏针对纳米表面活性剂的影响分析的问题。

本申请提供的一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法，包括以下步骤：

建立Fe

通过所述导热分析单元计算目标数值；所述目标数值包括纳米粒子分布单元的长度以及纳米粒子表面吸附层的厚度；

对所述导热分析单元采用热阻法建立导热模型。

可选的，通过所述导热分析单元计算目标数值步骤还包括：

所述导热分析单元计算纳米粒子分布单元L的长度；

所述导热分析单元计算纳米粒子表面吸附层的厚度h；其中，每一个纳米粒子分布在边长为L的正方体中，L为包含纳米粒子的正方体的边长。

可选的，所述导热分析单元计算纳米粒子分布单元中L的长度通过如下公式推导获得：

其中，

可选的，所述导热分析单元计算纳米粒子表面吸附层的厚度通过如下公式推导获得：

其中，δ为描述界面边界扩散的参数，其范围在0.2～0.8nm。

可选的，所述采用热阻法建立导热模型包括以下步骤：

对纳米绝缘油导热单元进行热阻法分析，沿传热方向根据纳米绝缘油的不同组分划分为四部分，建立热阻网络；所述热阻网络包括单元1、单元2、单元3以及单元4；

分别计算单元1、单元2、单元3以及单元4上的热阻R

根据所述热阻R

根据导热模型的热阻R

可选的，所述单元1的热阻1通过如下公式推导获得：

其中，沿热流传播的方向的长度为S＝L-2b，热传导的横截面积为A

可选的，所述单元2的热阻2通过如下公式推导获得：

利用等效热阻法得到微分单元热阻，对其从a到b的积分，则R

单元2上的长度为2h＝2(b-a)，取微分厚度单元dx，在热传导单元2内任意取一点，则R

可选的，所述单元3的热阻3通过如下公式推导获得：

可选的，所述单元4的热阻4通过如下公式推导获得：

可选的，计算导热模型的热阻R

R

由以上技术方案可知，本申请公开了一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法，包括以下步骤：建立Fe

相比本技术模型，传统模型计算值均小于纳米植物绝缘油导热率的测量值，表明还有其他关键因素影响纳米绝缘油的导热率。主要有两个原因导致模型的计算值偏小，一是纳米粒子表面有大量表面活性剂，表面活性剂与纳米粒子结合，其导热率大于分散基液的导热率。二是传统模型考虑了纳米晶体的尺寸，而表面活性剂的存在必然增加纳米粒子的有效粒径，缩短纳米粒子之间的导热距离，从而导致传统模型的计算值偏小。同时通过前面分析表明，在一定粒径范围内，纳米植物绝缘油的导热率随粒径的增加而升高，然而通过传统模型计算结果未能体现这一规律。通过上述分析，表明传统的纳米绝缘油导热系数计算模型与实际测量值具有较大差距，无法准确预测预测纳米绝缘油的导热系数。

本申请提供的四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型能正确的反应不同粒径纳米植物绝缘油的导热系数的变化规律，同时证明了纳米粒子粒径、表面活性剂厚度以及纳米粒子吸附层厚度等因素均对纳米植物绝缘油的导热率具有显著的影响。相比本技术模型，传统模型计算值均小于纳米植物绝缘油导热率的测量值，表明还有其他关键因素影响纳米绝缘油的导热率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法流程示意图；

图2为本申请实施例中提供的纳米绝缘油导热单元示意图；

图3为本申请实施例提供的热阻网络示意图；

图4为本申请实施例提供的Fe

图5为本申请实施例提供的Fe

图6为本申请实施例提供的Fe

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，图1为本申请提供一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法流程示意图。

纳米粒子的种类、粒径、浓度均对纳米绝缘油的导热率产生较大的影响，传统的几种经典模型未对表面活性剂对绝缘油导热率的影响机理进行解释。表面活性剂的加入会增加纳米粒子与基液间的热阻，减小纳米绝缘油的导热效率，Fe

本申请提供的一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法，包括以下步骤：

建立Fe

通过所述导热分析单元计算目标数值，包括：所述导热分析单元计算纳米粒子分布单元中L的长度；所述导热分析单元计算纳米粒子表面吸附层的厚度；所述目标数值包括纳米粒子分布单元的长度以及纳米粒子表面吸附层的厚度；

对所述导热分析单元采用热阻法建立导热模型。

图2为本申请实施例中提供的纳米绝缘油导热单元示意图。

建立Fe

已知纳米绝缘油中Fe

式中，ρ

同时，纳米粒子表面吸附层的厚度可由Hashimoto模型计算获得：

式中，δ为描述界面边界扩散的参数，其范围在0.2～0.8nm之间，即吸附层厚度约在0.5～2nm左右。

对于多组分材料可以采用热阻法进行导热系数计算，对图1所示的纳米绝缘油导热单元进行热阻法分析，沿传热方向根据纳米绝缘油的不同组分划分为四部分，建立热阻网络；所述热阻网络包括单元1、单元2、单元3以及单元4；其热阻网络图如图3所示，则传热单元的热阻可表示为：

R

设k

单元1只在绝缘油中传热，沿热流传播的方向的长度为S＝L-2b，热传导的横截面积为A

在热传导单元2上存在绝缘油与纳米层两个并联的传热通道。设热传导单元2上绝缘油与绝缘油的电阻分别为R

同时，热传导单元2上的长度为2h＝2(b-a),取微分厚度单元dx,利用等效热阻法得到微分单元热阻，在热传导单元2内任意取一点，则R

以此类推，热传导单元3由绝缘油、吸附层和表面活性剂3种物质组成，形成3个并联的热传导通道，则热传导单元3处的热阻可表示为：

在热传导单元4处，由绝缘油、吸附层、表面活性剂层和Fe

可得，纳米绝缘油的等效导热系数为k

纳米绝缘油导热系数k

图4、图5以及图6为根据式(10)对三种不同粒径Fe

相比本技术模型，传统模型计算值均小于纳米植物绝缘油导热率的测量值，表明还有其他关键因素影响纳米绝缘油的导热率。主要有两个原因导致模型的计算值偏小，一是纳米粒子表面有大量表面活性剂，表面活性剂与纳米粒子结合，其导热率大于分散基液的导热率。二是传统模型考虑了纳米晶体的尺寸，而表面活性剂的存在必然增加纳米粒子的有效粒径，缩短纳米粒子之间的导热距离，从而导致传统模型的计算值偏小。同时通过前面分析表明，在一定粒径范围内，纳米植物绝缘油的导热率随粒径的增加而升高，然而通过传统模型计算结果未能体现这一规律。通过上述分析，表明传统的纳米绝缘油导热系数计算模型与实际测量值具有较大差距，无法准确预测预测纳米绝缘油的导热系数。

由以上技术方案可知，本申请公开了一种四氧化三铁纳米植物绝缘油的导热模型构建方法，包括以下步骤：建立Fe