改性纳米流体的相变换热特性及其在重力热管中的应用

摘要

20世纪90年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化换热领域，研究新一代高效换热冷却技术。研究人员将纳米颗粒以一定的方式和比例添加到传统的液体换热工质基液中，形成一类新的换热冷却工质，并称之为纳米流体。研究的纳米颗粒包括金属粒子如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，碳纳米管等。基液包括水，乙二醇，机油，以及各类制冷剂溶液等。
　　 纳米流体的制备方法分两种：一步法和两步法。一步法将纳米颗粒的制备过程和纳米颗粒在基液中的分散过程同时完成。两部法将制备好的纳米颗粒通过某种手段分散到基液中，制备和分散过程分两步进行。一步法制备的纳米流体中纳米颗粒粒径分散均匀，悬浮液具有较高的分散性能。但是由于一步法制备工艺复杂，所需设备昂贵，不具备大批量生产的能力，所以现阶段主要采用两步法制备纳米流体。而两步法制备的纳米流体中纳米颗粒容易自聚，长时间放置后纳米颗粒会沉淀。因此主要通过以下两种方法来增强纳米流体的悬浮稳定性：(1)使用表面活性剂或分散剂，(2)使用超声振荡。方法(1)的目的在于增加颗粒间的排斥力，抑制颗粒团聚的发生。方法(2)通过机械手段打破颗粒团聚，以获得悬浮稳定的纳米流体。但以上方法只能制备短期内稳定分散的纳米流体，不能从根本上解决纳米流体的稳定性问题。
　　 为了解决以上问题，本文首次提出了一种改性纳米流体的制备技术，通过对纳米颗粒表面改性制备了一种稳定性能优异的纳米流体。实现方法为先通过对二氧化硅纳米颗粒表面改性制备改性纳米颗粒，然后将改性纳米颗粒添加到水中，并在50℃的环境温度下静置12小时，就可以得到稳定性能优异的纳米流体，称之为改性纳米流体。表面改性的机理为：在二氧化硅纳米颗粒表面嫁接硅烷，通过稳定的Si-O-Si共价键形成持续的空间位阻效应，从而使得纳米颗粒在基液中可以长期均匀稳定分散。改性纳米流体在室温下静置12个月后，没有任何沉淀从基液中析出，纳米颗粒均匀分散，纳米流体稳定性能优异。对二氧化硅纳米颗粒进行表面改性可以打破其在水溶液中的团聚状态，使之成为单一分散的悬浮纳米颗粒。改性纳米流体不需要添加任何表面活性剂就可以得到非常稳定的悬浮性。
　　 纳米流体在传热领域的一个主要应用方向为相变换热强化，包括纳米流体强化池内沸腾换热，纳米流体强化热管的换热特性，纳米流体强化制冷剂的换热特性等。已经有许多人对纳米流体的相变换热特性进行了研究，多数实验结果表明纳米流体可以显著强化基液的相变换热特性。但是在相变换热过程中传统的纳米流体会在加热表面产生由纳米颗粒形成的沉积层，长期运行会造成严重的传热过程不确定性，从而限制了纳米流体的实际应用。而本文研究的改性纳米流体在相变换热过程中不会产生表面沉积层，从而可以保证相应的纳米流体在各种换热设备中稳定运行。
　　 另外，虽然多数研究报道了纳米流体可以强化相变换热，但也有一些研究表明纳米流体对相变换热特性没有影响，或者恶化了相变换热特性。因此实验结果不能统一，相应的相变换热机理也还没有一个统一的定论，其定量分析计算更是空白，尚需更多的实验和机理分析以对纳米流体相变换热机理进行深入的了解。
　　 基于改性纳米流体优异的稳定性和不会在加热表面形成沉积层等特点，本文从两方面实验研究了改性纳米流体的相变换热特性：纳米流体的池内沸腾换热特性和纳米流体在重力热管中的换热特性。研究的重力热管包括热虹吸管和回路型重力热管两种。同时，为了和改性纳米流体的换热特性作对比，从而更好的了解纳米流体的换热机理，本文还以常规纳米流体(由未改性的纳米颗粒制备而成)为工质进行了相同的实验。常规纳米流体和改性纳米流体的质量浓度均在0.5％-2.5％之间。本文实验测量了改性纳米流体和常规纳米流体的物性参数，包括导热系数，粘度，固液接触角和表面张力。此外，本文对实验前后加热表面的表面特性也进行了各种测定。
　　 在纳米流体的池内沸腾换热特性研究方面，本文设计和搭建了纳米流体池内沸腾换热的测试实验台，分别测试了水，改性纳米流体和常规纳米流体三种工质的池内沸腾换热特性，对纳米流体的换热机理进行了探讨，并对池内沸腾的沸腾换热系数和临界热流密度(CHF)进行了定量分析。实验系统的运行压力分别为7.4 kPa，20kPa和103 kPa。结果表明：
　　 (1)以三种工质进行沸腾实验后，常规纳米流体在加热表面上形成一个沉积层，沉积层表面的粗糙度比以水为工质进行沸腾实验后加热表面的粗糙度有所降低。而沸腾实验后，改性纳米流体没有在加热表面形成沉积层，但是加热表面的粗糙度有所增加。各工质沸腾实验后加热表面表面特性的差别，以及工质物性参数的变化，使得各工质的换热特性存在着较大的差别。
　　 (2)改性纳米流体可以强化沸腾换热系数，但对CHF基本没有影响。改性纳米流体的沸腾换热系数强化与纳米流体的物性参数，接触角和表面粗糙度的影响有关。改性纳米流体没有表现出有意义的纳米特性，使用预示一般流体的沸腾换热计算公式也可以预示改性纳米流体的换热特性。
　　 (3)常规纳米流体可以强化CHF，但对应的沸腾换热系数出现不同程度的恶化。以常规纳米流体为工质进行沸腾实验后加热表面上形成一个沉积层。沉积层造成的微孔孔穴数和接触角的改变，以及表面传热热阻的增加都对常规纳米流体的沸腾换热系数产生影响。而沉积层使得纳米流体在加热表面上的接触角降低，是CHF强化的主要原因。由于综合考虑了物性参数和加热表面表面特性的影响，预测一般流体的CHF计算公式也可以对常规纳米流体的CHF进行很好地预测。
　　 就纳米流体在热虹吸管中的换热特性研究方面，本文设计和搭建了热虹吸管的测试实验台，分别测试了水，改性纳米流体和常规纳米流体三种工质在热虹吸管中的蒸发换热特性，冷凝换热特性以及热管的总体换热特性等，对纳米流体在热虹吸管中的换热机理进行了探讨，并对三种工质在热虹吸管中的蒸发换热系数，冷凝换热系数和最大热流密度(MHF)进行了定量分析。实验系统的运行压力分别为7.4kPa，15.75 kPa和31.38 kPa。结果表明：
　　 (1)三种工质在热虹吸管内进行实验后，常规纳米流体在蒸发段的加热表面上形成一层沉积层，而改性纳米流体没有形成沉积层。
　　 (2)改性纳米流体可以强化热虹吸管的蒸发换热系数，但对MHF基本没有影响。以水和改性纳米流体为工质进行实验后加热表面的表面特性相差不大，蒸发换热系数的强化效果主要来自于改性纳米流体物性参数的变化。
　　 (3)常规纳米流体使得热虹吸管的蒸发换热特性恶化，但可以强化热虹吸管的MHF。以常规纳米流体为工质进行实验后加热表面上存在一层沉积层，常规纳米流体在沉积层上接触角的减小是MHF强化的主要原因。
　　 (4)本文对计算热虹吸管MHF的经验公式进行了扩展，加入了接触角的影响，从而能够更好地对水，改性纳米流体和常规纳米流体三种工质在热虹吸管中的MHF进行预测。实验值与预测值的偏差位于5％以内。
　　 (5)改性纳米流体和常规纳米流体对热虹吸管的冷凝换热特性均没有影响。
　　 (6)改性纳米流体使得热虹吸管的总体换热特性强化，而常规纳米流体使得热虹吸管的总体换热特性恶化。
　　 就纳米流体在回路型重力热管中的换热特性研究方面，本文设计和搭建了回路型重力热管的测试实验台，分别测试了水，改性纳米流体和常规纳米流体三种工质在回路型重力热管中的蒸发换热特性，冷凝换热特性以及热管的总体换热特性等，对纳米流体在回路型重力热管中的换热机理进行了探讨，并对三种工质在回路型重力热管中的蒸发换热系数，冷凝换热系数和MHF进行了定量分析。实验系统的运行压力分别为7.4 kPa，15.75 kPa和31.38 kPa。实验结果表明：改性纳米流体使得回路型重力热管的蒸发换热特性恶化，表现为蒸发换热系数恶化和MHF恶化两方面。常规纳米流体使得回路型重力热管的蒸发换热系数恶化，但可以强化回路型重力热管的MHF。改性纳米流体的蒸发换热特性主要受到纳米流体物性参数的影响，而常规纳米流体的蒸发换热特性受到纳米流体物性参数和加热表面表面特性的共同影响。改性纳米流体和常规纳米流体对回路型重力热管的冷凝换热特性均没有影响。改性纳米流体和常规纳米流体均使得回路型重力热管的热阻增加，热管的总体换热特性恶化。