改性納米流體的相變換熱特性及其在重力熱管中的應用.pdf

1、20世紀90年代以來，研究人員開始探索將納米材料技術應用于強化換熱領域，研究新一代高效換熱冷卻技術。研究人員將納米顆粒以一定的方式和比例添加到傳統的液體換熱工質基液中，形成一類新的換熱冷卻工質，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，Fe，氧化物粒子如CuO，SiO2，Al2O3，TiO2，ZnO，Fe3O4，碳化物如SiC，TiC，氮化物如AlN，SiN，碳納米管等?；喊ㄋ叶?，機油，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雜，所需設備昂貴，不具備大批量生產的能力，所以現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，抑制顆粒團聚的發(fā)生。方法(2)通過機械手段打破顆粒團聚，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，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。實現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，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共價鍵形成持續(xù)的空間位阻效應，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、氧化硅納米顆粒進行表面改性可以打破其在水溶液中的團聚狀態(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。
　　 納米流體在傳熱領域的一個主要應用方向為相變換熱強化，包括納米流體強化池內沸騰換熱，納米流體強化熱管的換熱特性，納米流體強化制冷劑的換熱特性等。已經有許多人對納米流體的相變換熱特性進行了研究，多數實驗結果表明納米流體可以顯著強化基液的相變換熱特性。但是在相變換熱過程中傳統

6、的納米流體會在加熱表面產生由納米顆粒形成的沉積層，長期運行會造成嚴重的傳熱過程不確定性，從而限制了納米流體的實際應用。而本文研究的改性納米流體在相變換熱過程中不會產生表面沉積層，從而可以保證相應的納米流體在各種換熱設備中穩(wěn)定運行。
　　 另外，雖然多數研究報道了納米流體可以強化相變換熱，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。因此實驗結果不能統一，相應的相變換熱機理也還沒有一個統一的定論，其定量

7、分析計算更是空白，尚需更多的實驗和機理分析以對納米流體相變換熱機理進行深入的了解。
　　 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，本文從兩方面實驗研究了改性納米流體的相變換熱特性：納米流體的池內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，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)為工質進行了相同的實驗。常規(guī)納米流體和改性納米流體的質量濃度均在0.5％-2.5％之間。本文實驗測量了改性納米流體和常規(guī)納米流體的物性參數，包括導熱系數，粘度，固液接觸角和表面張力。此外，本文對實驗前后加熱表面的表面特性也進行了各種測定。
　　 在納米流體的池內沸騰換熱特性研究方面，本文設計和搭建了納米流體池內沸騰換熱的測試實驗臺，分別測試了水，改性納米流體和常規(guī)納米流體三種工質的池內沸騰換熱特性，對納米流體的換熱機理進行了

9、探討，并對池內沸騰的沸騰換熱系數和臨界熱流密度(CHF)進行了定量分析。實驗系統的運行壓力分別為7.4 kPa，20kPa和103 kPa。結果表明：
　　 (1)以三種工質進行沸騰實驗后，常規(guī)納米流體在加熱表面上形成一個沉積層，沉積層表面的粗糙度比以水為工質進行沸騰實驗后加熱表面的粗糙度有所降低。而沸騰實驗后，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。各工質沸騰實驗后加熱表面表面特性的差別，以及工質物

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

11、實驗后加熱表面上形成一個沉積層。沉積層造成的微孔孔穴數和接觸角的改變，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產生影響。而沉積層使得納米流體在加熱表面上的接觸角降低，是CHF強化的主要原因。由于綜合考慮了物性參數和加熱表面表面特性的影響，預測一般流體的CHF計算公式也可以對常規(guī)納米流體的CHF進行很好地預測。
　　 就納米流體在熱虹吸管中的換熱特性研究方面，本文設計和搭建了熱虹吸管的測試實驗臺，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理進行了探討，并對三種工質在熱虹吸管中的蒸發(fā)換熱系數，冷凝換熱系數和最大熱流密度(MHF)進行了定量分析。實驗系統的運行壓力分別為7.4kPa，15.75 kPa和31.38 kPa。結果表明：
　　 (1)三種工質在熱虹吸管內進行實驗后，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化熱虹吸管的蒸發(fā)換熱系數，但對MHF基本沒有影響。以水和改性納米流體為工質進行實驗后加熱表面的表面特性相差不大，蒸發(fā)換熱系數的強化效果主要來自于改性納米流體物性參數的變化。
　　 (3)常規(guī)納米流體使得熱虹吸管的蒸發(fā)換熱特性惡化，但可以強化熱虹吸管的MHF。以常規(guī)納米流體為工質進行實驗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強化的主要原因。
　　

14、 (4)本文對計算熱虹吸管MHF的經驗公式進行了擴展，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)納米流體三種工質在熱虹吸管中的MHF進行預測。實驗值與預測值的偏差位于5％以內。
　　 (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，本文設計和搭建了回路型重力熱管的測試實驗臺，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理進行了探討，并對三種工質在回路型重力熱管中的蒸發(fā)換熱系數，冷凝換熱系數和MHF進行了定量分析。實驗系統的運行壓力分別為7.4 kPa，15.75 kPa和31.38 kPa。實驗結果表明：改性納米流體使得回路型重力熱管的蒸發(fā)