纳米流体及表面活性剂对沸腾换热的影响

纳米流体及表面活性剂对沸腾换热的影响报告人：指导教师：2012/07/05Contents沸腾换热简要1常用强化交换热方法2添加表面活性剂强化换热3使用纳米流体强化换热41.沸腾换热简要应用范围

电子元器件，电子设备等按工质流动特性沸腾可以分为大空间沸腾(池沸腾)和流动沸腾沸腾换热

是通过大量汽泡的形成、成长和运动将工质由液态转换到气态的一种剧烈蒸发过程沸腾换热1.沸腾换热简要饱和沸腾曲线自然对流换热机理核态沸腾过度沸腾稳定膜态沸腾1.沸腾换热简要强制对流沸腾池内沸腾饱和沸腾换热形式过冷沸腾池内沸腾强制对流沸腾2.常用强化换热方法对于核态沸腾，强化换热的关键是增加汽化核心和提高气泡脱离频率。从影响沸腾换热的因素可知，溶于液体中的不凝结气体、液体过冷、液位高度、重力加速度和沸腾表面结构等对沸腾换热的表面传热系数有一定影响。2.常用强化换热方法过冷度在大扰动(如事故瞬态)情况下,过冷沸腾对系统稳定性和动态行为影响显著。在小扰动情况下,过冷沸腾作用不明显,对系统稳定性和动态特性影响不大。在大扰动情况下,不同过冷沸腾模型给出的分析结果之间差别较大;在小扰动情况下这一差别可忽略。选择合适的过冷沸腾模型对动态计算十分重要2.常用强化换热方法重力加速度重力加速度对核态沸腾换热无影响；重力加速度对液体自然对流有影响。沸腾换热在微重力下热流通量有所增加2.常用强化换热方法沸腾表面结构孔穴直径多孔层厚度δ孔隙率ε汽化中心密度、压力、多孔表面材料物性等因素2.常用强化换热方法微结构表面2.常用强化换热方法沸腾换热强化管表面结构示意3.添加表面活性剂强化换热国内外许多课题组研究发现活性剂溶液特性受到活性剂种类、溶液浓度、溶液温度和沸腾工况等因素影响；但由于复杂性,至今还没有完全理解其强化换热机理表面活性剂强化沸腾换热具有添加少量活性剂就有显著强化效果的特点，其文献可追溯至1939年活性剂是一大类有机化合物，包括疏水基团和亲水基团两部分，添加使用时会形成胶束，溶液中开始形成胶束的最低活性剂浓度称临界胶束浓度(CMC)表面活性剂3.添加表面活性剂强化换热王晔春、彭晓峰等选用不同类型表面活性剂SDS和TitonX-100，研究其对于乙醇一水混合工质的强化沸腾换热规律，实验表明表面活性剂能够起到一定程度强化沸腾换热的作用,可以有效地减少使用双组分混合工质引起的换热性能下降Chen等测定了20℃、40℃和60℃温度下的活性剂95%SDS

(小于CMC)和TritonX-100(大于CMC)溶液的动力黏度,实验表明活性剂溶液黏度受到活性剂种类、溶液温度、溶液浓度和剪切速率的影响3.添加表面活性剂强化换热Zhang和Manglik等研究了活性剂溶液在沸腾表面的润湿特性，发现当活性剂溶液质量分数达到一定值后，溶液在沸腾表面的接触角会有最低值且不再随质量分数的增加而升高Manglik课题组系统研究了不同活性剂溶液的动态表面张力,其主要结论:对一定浓度的活性剂溶液，溶液温度越高，动态表面张力越低；汽泡生成频率越高，动态表面张力越高；动态表面张力除与溶液温度和浓度有关，还与活性剂电离特性、分子量等密切相关3.添加表面活性剂强化换热纪献兵，徐进良以SDS十二烷基硫酸钠为表面活性剂,研究了在不同过冷度下SDS浓度对池沸腾换热的影响。实验结果表明在低SDS浓度下,沸腾换热在一定热流密度范围内得到显著强化。在不同过冷度下,均存在相应的最佳SDS浓度值液体过冷度对沸腾换热的影响3.添加表面活性剂强化换热小结&展望对在除乙醇外的有机溶剂中添加表面活性剂情况的研究比较少目前研究大多针对表面活性剂强化饱和沸腾,对过冷沸腾的研究相对较少目前对添加表面活性剂强化沸腾散热的机理研究不甚明朗，另外研究活性剂溶液在沸腾工况下的物理特性可以建立在理解活性剂分子结构与其性能关系的基础上4.纳米流体强化换热液体中添加纳米粒子,可以显著增加液体的导热系数,提高热交换系统的传热性能把纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化,具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济价值纳米流体流体特点应用前景4.纳米流体强化换热纳米颗粒粒径小,有望在发展新型微型换热设备上利用纳米粒子可保持稳定悬浮不沉淀,有效地避免了其他粒子易产生的磨损或堵塞现象；对悬浮液流动起到润滑作用粒子、壁面、液体间的相互作用使得流动层流边界层被破坏,传热增加相同粒子体积含量下,纳米粒子表面积和热容量远大于毫米或微米级的粒子分子间作用力增加小尺寸效应导热系数大微电信息领域应用纳米流体特点4.纳米流体强化换热1995年,美国Argonne国家实验室的Choi等提出了一个崭新的概念--纳米流体,即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子,形成一类新的传热冷却工质纳米流体导热系数的影响：纳米粒子的体积分数；纳米粒子本身的导热系数；纳米粒子的粒径大小；纳米粒子的团聚程度；纳米粒子的表面特性；纳米颗粒的形状；基液的影响；流体的悬浮稳定性；纳米流体的黏度；表面活性剂或分散剂的影响；固液界面的特性；纳米粒子的布朗运动4.纳米流体强化换热4.纳米流体强化换热纳米流体对池内沸腾沸腾换热系数的影响（2）作者年份纳米流体传热面效果刘振华等2009-2010CuO-水碳纳米管-水水平方形铜表面强化Kathiravan等2010Cu-水水平方形不锈钢表面恶化Kwark等2010Al2O3-水水平方形铜表面基本不变或恶化Soltani等2010Al2O3-水竖直不锈钢柱状表面强化Suriyawong等2010TiO2-水水平圆形铜表面水平圆形铝表面有强化有恶化You等2003Al2O3-水水平方形铜表面基本不变Kim等2004Al2O3-水水平不锈钢圆表面基本不变Jr等2005Al2O3-水ZnO-水水平方形铜表面基本不变Vassallo等2004SiO2-水NiCr丝表面基本不变Park等2004Al2O3-水不锈钢金属球体表面恶化Lotfi等2009Ag-水银的球体表面恶化4.纳米流体强化换热纳米流体流动沸腾的相关研究作者年份纳米流体传热面效果Milanova等2005SiO2-水NiCr丝表面强化Kim等2006TiO2-水NiCr丝表面强化Coursey等2008Al2O3-水Al2O3-乙醇水平圆形铜表面氧化后的圆形铜表面强化Kim等2007Al2O3-水TiO2-水SiO2-水水平不锈钢丝水平不锈钢矩形表面强化Jeong等2008Al2O3-水不锈钢丝强化刘振华等2009-2010CuO-水碳纳米管-水水平方形铜表面强化刘振华等2010CuO，SiO2-水，-乙醇圆形铜表面恶化Truong2007Al2O3-水水平不锈钢丝强化Kathirava等2010Cu-水水平不锈钢表面强化Kwark等2010Al2O3-水水平方形铜表面强化Kim等2010Al2O3-水TiO2-水水平圆形铜表面强化

纳米流体流动沸腾的相关研究作者年份纳米流体传热面效果丁国良等2008-2009CuO-R11水平方形铜表水平铜管内沸腾换热系数强化毕胜山等2008TiO2-HFC13水平方不锈钢管内沸腾换热系数强化Kim等2010Al2O3-水ZnO-水diamond-水水平方不锈钢管内CHF强化，沸腾换热系数变化不大Henderson等2010SiO2-R134a水平铜管内沸腾换热系数恶化CHF强化Ahn等2010Al2O3-水水平矩形通道（材料：强力丙烯）CHF强化You等2003Al2O3-水水平方形铜表面基本不变Kim等2004Al2O3-水水平不锈钢圆表面基本不变Jr等2005Al2O3-水ZnO-水水平方形铜表面基本不变纳米流体及其强化传热性能研究进展作者年份模型/原理结果宣益民等2003根据布朗运动理论模拟纳米粒子在流体中的聚集过程,利用LatticeBoltzmann模型与Cu-水体系纳米流体的实验结果较一致王补宣等2007利用分形理论描述了纳米粒子团簇结构及其随机分布,推导出纳米流体的导热系数表达式预测CuO-水体系的导热系数,理论值与其实验结果较为一致Xue等2003利用Maxwell理论和平均极化理论,考虑固体颗粒与基体液相的界面作用推导出了纳米流体的导热系数表达式理论值与Al2O3-水体系的实验值吻合Keblinski等2002定性研究了纳米流体中导热强化的可能机制分析纳米颗粒的Brown运动、颗粒表面吸附的薄液层等方面因素对纳米流体导热系数强化的作用机理Jang