改性納米流體的相變換熱特性及其在重力熱管中的應(yīng)用.pdf

1、20世紀(jì)90年代以來，研究人員開始探索將納米材料技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化換熱領(lǐng)域，研究新一代高效換熱冷卻技術(shù)。研究人員將納米顆粒以一定的方式和比例添加到傳統(tǒng)的液體換熱工質(zhì)基液中，形成一類新的換熱冷卻工質(zhì)，并稱之為納米流體。研究的納米顆粒包括金屬粒子如Au，Ag，Cu，F(xiàn)e，氧化物粒子如CuO，SiO2，Al2O3，TiO2，ZnO，F(xiàn)e3O4，碳化物如SiC，TiC，氮化物如AlN，SiN，碳納米管等?；喊ㄋ?，乙二醇，機(jī)油，以及各類制冷劑溶液

2、等。
　　 納米流體的制備方法分兩種：一步法和兩步法。一步法將納米顆粒的制備過程和納米顆粒在基液中的分散過程同時(shí)完成。兩部法將制備好的納米顆粒通過某種手段分散到基液中，制備和分散過程分兩步進(jìn)行。一步法制備的納米流體中納米顆粒粒徑分散均勻，懸浮液具有較高的分散性能。但是由于一步法制備工藝復(fù)雜，所需設(shè)備昂貴，不具備大批量生產(chǎn)的能力，所以現(xiàn)階段主要采用兩步法制備納米流體。而兩步法制備的納米流體中納米顆粒容易自聚，長時(shí)間放置后納米顆粒會

3、沉淀。因此主要通過以下兩種方法來增強(qiáng)納米流體的懸浮穩(wěn)定性：(1)使用表面活性劑或分散劑，(2)使用超聲振蕩。方法(1)的目的在于增加顆粒間的排斥力，抑制顆粒團(tuán)聚的發(fā)生。方法(2)通過機(jī)械手段打破顆粒團(tuán)聚，以獲得懸浮穩(wěn)定的納米流體。但以上方法只能制備短期內(nèi)穩(wěn)定分散的納米流體，不能從根本上解決納米流體的穩(wěn)定性問題。
　　 為了解決以上問題，本文首次提出了一種改性納米流體的制備技術(shù)，通過對納米顆粒表面改性制備了一種穩(wěn)定性能優(yōu)異的納米流

4、體。實(shí)現(xiàn)方法為先通過對二氧化硅納米顆粒表面改性制備改性納米顆粒，然后將改性納米顆粒添加到水中，并在50℃的環(huán)境溫度下靜置12小時(shí)，就可以得到穩(wěn)定性能優(yōu)異的納米流體，稱之為改性納米流體。表面改性的機(jī)理為：在二氧化硅納米顆粒表面嫁接硅烷，通過穩(wěn)定的Si-O-Si共價(jià)鍵形成持續(xù)的空間位阻效應(yīng)，從而使得納米顆粒在基液中可以長期均勻穩(wěn)定分散。改性納米流體在室溫下靜置12個(gè)月后，沒有任何沉淀從基液中析出，納米顆粒均勻分散，納米流體穩(wěn)定性能優(yōu)異。對二

5、氧化硅納米顆粒進(jìn)行表面改性可以打破其在水溶液中的團(tuán)聚狀態(tài)，使之成為單一分散的懸浮納米顆粒。改性納米流體不需要添加任何表面活性劑就可以得到非常穩(wěn)定的懸浮性。
　　 納米流體在傳熱領(lǐng)域的一個(gè)主要應(yīng)用方向?yàn)橄嘧儞Q熱強(qiáng)化，包括納米流體強(qiáng)化池內(nèi)沸騰換熱，納米流體強(qiáng)化熱管的換熱特性，納米流體強(qiáng)化制冷劑的換熱特性等。已經(jīng)有許多人對納米流體的相變換熱特性進(jìn)行了研究，多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米流體可以顯著強(qiáng)化基液的相變換熱特性。但是在相變換熱過程中傳統(tǒng)

6、的納米流體會在加熱表面產(chǎn)生由納米顆粒形成的沉積層，長期運(yùn)行會造成嚴(yán)重的傳熱過程不確定性，從而限制了納米流體的實(shí)際應(yīng)用。而本文研究的改性納米流體在相變換熱過程中不會產(chǎn)生表面沉積層，從而可以保證相應(yīng)的納米流體在各種換熱設(shè)備中穩(wěn)定運(yùn)行。
　　 另外，雖然多數(shù)研究報(bào)道了納米流體可以強(qiáng)化相變換熱，但也有一些研究表明納米流體對相變換熱特性沒有影響，或者惡化了相變換熱特性。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能統(tǒng)一，相應(yīng)的相變換熱機(jī)理也還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定論，其定量

7、分析計(jì)算更是空白，尚需更多的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理分析以對納米流體相變換熱機(jī)理進(jìn)行深入的了解。
　　 基于改性納米流體優(yōu)異的穩(wěn)定性和不會在加熱表面形成沉積層等特點(diǎn)，本文從兩方面實(shí)驗(yàn)研究了改性納米流體的相變換熱特性：納米流體的池內(nèi)沸騰換熱特性和納米流體在重力熱管中的換熱特性。研究的重力熱管包括熱虹吸管和回路型重力熱管兩種。同時(shí)，為了和改性納米流體的換熱特性作對比，從而更好的了解納米流體的換熱機(jī)理，本文還以常規(guī)納米流體(由未改性的納米顆粒制備而

8、成)為工質(zhì)進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)。常規(guī)納米流體和改性納米流體的質(zhì)量濃度均在0.5％-2.5％之間。本文實(shí)驗(yàn)測量了改性納米流體和常規(guī)納米流體的物性參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)，粘度，固液接觸角和表面張力。此外，本文對實(shí)驗(yàn)前后加熱表面的表面特性也進(jìn)行了各種測定。
　　 在納米流體的池內(nèi)沸騰換熱特性研究方面，本文設(shè)計(jì)和搭建了納米流體池內(nèi)沸騰換熱的測試實(shí)驗(yàn)臺，分別測試了水，改性納米流體和常規(guī)納米流體三種工質(zhì)的池內(nèi)沸騰換熱特性，對納米流體的換熱機(jī)理進(jìn)行了

9、探討，并對池內(nèi)沸騰的沸騰換熱系數(shù)和臨界熱流密度(CHF)進(jìn)行了定量分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力分別為7.4 kPa，20kPa和103 kPa。結(jié)果表明：
　　 (1)以三種工質(zhì)進(jìn)行沸騰實(shí)驗(yàn)后，常規(guī)納米流體在加熱表面上形成一個(gè)沉積層，沉積層表面的粗糙度比以水為工質(zhì)進(jìn)行沸騰實(shí)驗(yàn)后加熱表面的粗糙度有所降低。而沸騰實(shí)驗(yàn)后，改性納米流體沒有在加熱表面形成沉積層，但是加熱表面的粗糙度有所增加。各工質(zhì)沸騰實(shí)驗(yàn)后加熱表面表面特性的差別，以及工質(zhì)物

10、性參數(shù)的變化，使得各工質(zhì)的換熱特性存在著較大的差別。
　　 (2)改性納米流體可以強(qiáng)化沸騰換熱系數(shù)，但對CHF基本沒有影響。改性納米流體的沸騰換熱系數(shù)強(qiáng)化與納米流體的物性參數(shù)，接觸角和表面粗糙度的影響有關(guān)。改性納米流體沒有表現(xiàn)出有意義的納米特性，使用預(yù)示一般流體的沸騰換熱計(jì)算公式也可以預(yù)示改性納米流體的換熱特性。
　　 (3)常規(guī)納米流體可以強(qiáng)化CHF，但對應(yīng)的沸騰換熱系數(shù)出現(xiàn)不同程度的惡化。以常規(guī)納米流體為工質(zhì)進(jìn)行沸騰

11、實(shí)驗(yàn)后加熱表面上形成一個(gè)沉積層。沉積層造成的微孔孔穴數(shù)和接觸角的改變，以及表面?zhèn)鳠釤嶙璧脑黾佣紝ΤＲ?guī)納米流體的沸騰換熱系數(shù)產(chǎn)生影響。而沉積層使得納米流體在加熱表面上的接觸角降低，是CHF強(qiáng)化的主要原因。由于綜合考慮了物性參數(shù)和加熱表面表面特性的影響，預(yù)測一般流體的CHF計(jì)算公式也可以對常規(guī)納米流體的CHF進(jìn)行很好地預(yù)測。
　　 就納米流體在熱虹吸管中的換熱特性研究方面，本文設(shè)計(jì)和搭建了熱虹吸管的測試實(shí)驗(yàn)臺，分別測試了水，改性納米

12、流體和常規(guī)納米流體三種工質(zhì)在熱虹吸管中的蒸發(fā)換熱特性，冷凝換熱特性以及熱管的總體換熱特性等，對納米流體在熱虹吸管中的換熱機(jī)理進(jìn)行了探討，并對三種工質(zhì)在熱虹吸管中的蒸發(fā)換熱系數(shù)，冷凝換熱系數(shù)和最大熱流密度(MHF)進(jìn)行了定量分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力分別為7.4kPa，15.75 kPa和31.38 kPa。結(jié)果表明：
　　 (1)三種工質(zhì)在熱虹吸管內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，常規(guī)納米流體在蒸發(fā)段的加熱表面上形成一層沉積層，而改性納米流體沒有形成

13、沉積層。
　　 (2)改性納米流體可以強(qiáng)化熱虹吸管的蒸發(fā)換熱系數(shù)，但對MHF基本沒有影響。以水和改性納米流體為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后加熱表面的表面特性相差不大，蒸發(fā)換熱系數(shù)的強(qiáng)化效果主要來自于改性納米流體物性參數(shù)的變化。
　　 (3)常規(guī)納米流體使得熱虹吸管的蒸發(fā)換熱特性惡化，但可以強(qiáng)化熱虹吸管的MHF。以常規(guī)納米流體為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后加熱表面上存在一層沉積層，常規(guī)納米流體在沉積層上接觸角的減小是MHF強(qiáng)化的主要原因。
　　

14、 (4)本文對計(jì)算熱虹吸管MHF的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了擴(kuò)展，加入了接觸角的影響，從而能夠更好地對水，改性納米流體和常規(guī)納米流體三種工質(zhì)在熱虹吸管中的MHF進(jìn)行預(yù)測。實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的偏差位于5％以內(nèi)。
　　 (5)改性納米流體和常規(guī)納米流體對熱虹吸管的冷凝換熱特性均沒有影響。
　　 (6)改性納米流體使得熱虹吸管的總體換熱特性強(qiáng)化，而常規(guī)納米流體使得熱虹吸管的總體換熱特性惡化。
　　 就納米流體在回路型重力熱管中的換熱

15、特性研究方面，本文設(shè)計(jì)和搭建了回路型重力熱管的測試實(shí)驗(yàn)臺，分別測試了水，改性納米流體和常規(guī)納米流體三種工質(zhì)在回路型重力熱管中的蒸發(fā)換熱特性，冷凝換熱特性以及熱管的總體換熱特性等，對納米流體在回路型重力熱管中的換熱機(jī)理進(jìn)行了探討，并對三種工質(zhì)在回路型重力熱管中的蒸發(fā)換熱系數(shù)，冷凝換熱系數(shù)和MHF進(jìn)行了定量分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力分別為7.4 kPa，15.75 kPa和31.38 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改性納米流體使得回路型重力熱管的蒸發(fā)