二氧化钛纳米管阵列表面沸腾传热实验研究

摘要

传热强化技术越来越多的应用于工业中,然而随着科学和技术的逐渐进步,高集成、大热流、微系统对传热提出了新的要求,迫切需要出现更加高效的传热强化技术。由此,纳米传热强化技术应运而生,并很快成为世界各国的研究热点。纳米TiO2表面具有气敏、湿敏、介电效应、光电转换效应、高催化活性等优点而被广泛应用于太阳能电池、自清洁材料、光催化降解和气体传感器等领域。相对于其它形式的纳米TiO2表面,TiO2纳米管阵列表面作为纳米TiO2表面一种新的存在形式,具有更强的吸附能力和更大的比表面积,具备了理想沸腾传热强化表面的要素。因而研究TiO2纳米管阵列表面的传热强化具有较高工程价值。
　　文中选用阳极氧化法,分别以有机和无机溶剂为电解液,成功地在钛板、钛管表面构造出两种不同结构尺寸的垂直导向TiO2纳米管阵列结构膜层。以蒸馏水为工质,对TiO2纳米管阵列表面(改性表面)进行了池沸腾与管内流动沸腾的传热性能研究。结果表明,与光滑表面相比,无论池沸腾还是管内流动沸腾,改性表面传热系数均偏大,而且相对于以无机溶剂为电解液阳极氧化制备的改性表面P2而言,有机电解液制备的改性表面P1沸腾传热强化效果更好。池沸腾中改性表面的沸腾传热系数提高了80％~110%,管内流动沸腾中改性表面的沸腾传热系数也可提高40%~90%,同时改性表面与光滑表面的流动压降相近,改性表面并没有因表面形貌的改变而造成压力损失的增大,而且流速对改性表面传热强化效果影响较小。
　　通过池沸腾CCD可视化装置,本文对工质沸腾过程中汽泡的产生、长大和脱离过程进行了观测,发现改性表面上汽泡半径明显较小,汽泡密度和脱离频率较高。这从另外一个方面间接诠释了改性表面强化沸腾传热的原理,即膜层中众多的纳米孔洞显著提高了液体沸腾时的汽化核心数量,从而增强了沸腾传热效率。
　　文中采用最小二乘法,对Gungor模型的抑制因子系数进行修正,得出了适合改性表面管内流动沸腾传热系数公式,该公式与实验数据吻合较好,误差在20%以内。

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符 号 说 明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 沸腾传热的概述

1.3 表面技术的概述

1.4 TiO2纳米表面的沸腾传热

1.5 研究课题的提出

第二章 纳米管阵列表面的制备

2.1 制备过程与装置

2.2 制备结果与分析

2.3 本章小结

第三章 纳米管阵列表面池沸腾传热实验研究

3.1 池沸腾实验装置

3.2 实验内容与步骤

3.3 实验数据的测量与处理

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 纳米管阵列表面流动沸腾传热实验研究

4.1 流动沸腾实验装置

4.2 实验方案与步骤

4.3 实验数据测量处理及不确定分析

4.4 实验结果与讨论

4.5 管内流动沸腾传热系数关联式

4.6 本章小结

第五章 结论

5.1 结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所取得的科研成果