六方氮化硼纳米流体池沸腾换热特性

摘要

随着工业的发展，能源消耗量急剧增加，能源短缺问题已日愈凸显。提高能源的利用率和转换效率是缓解当前能源紧缺问题切实有效的举措。沸腾换热由于具有极高的换热效率，在核电、太阳能、低温工程等领域得到广泛的运用。近年来，电子电路集成度不断提高，电子元器件功率大幅增加，电子芯片的冷却问题受到人们的广泛关切。沸腾换热具有占用空间小、换热效率高等优势，为高集成度的电子器件散热难题提供了解决途径。本论文旨在对纳米流体沸腾换热特性，以及微纳米结构对纳米流体沸腾换热性能的影响进行研究和分析，为强化换热方面的研究提供依据。主要工作及结论如下：　　①本论文首先设计并搭建了池沸腾实验系统，并进行了光滑表面、微槽结构表面、纳米结构表面以及微纳米复合结构表面的六方氮化硼（h-BN）纳米流体沸腾换热实验。　　②在光滑表面沸腾换热特性的研究中，本文通过高速摄影仪观察并记录了单汽泡的成核、生长、脱离等汽泡运动过程，并对其进行了动力学分析。发现汽泡在生长过程中汽泡的直径先增大再稳定不变最后减小，而高度则在汽泡脱离前一直保持增加的趋势，在汽泡脱离后会急剧下降。根据直径和高度的变化将汽泡的生长周期分为动力控制阶段、热量传输控制阶段、纵向拉伸阶段和脱离形变阶段。此外，本文还分析了相邻汽泡之间的聚并等行为。　　③制备的h-BN纳米流体和GO纳米流体均呈现优异的分散性，对其导热系数、粘度、表面张力等物性参数进行了测定，发现添加h-BN纳米粒子后使溶液导热系数增大，粘度增加，表面张力略有下降。　　④h-BN纳米流体和GO纳米流体均明显提升了沸腾换热的临界热流密度。与去离子水相比，浓度为0.1 wt％h-BN纳米流体的临界热流密度提升了69%，达到1801.61 kW/m2；浓度为0.001 wt%GO纳米流体的临界热流密度提升了53.8%，达到1636.15 kW/m2。　　⑤换热表面微液层的蒸发导致局部纳米粒子浓度增加，换热表面形成纳米粒子沉积—脱落—沉积的动态平衡过程，有效抑制了汽膜的形成，促使临界热流密度明显提高。　　⑥换热表面微槽结构强化了纳米流体沸腾换热性能，实验范围内使沸腾换热系数HTCmax和临界热流密度CHF最大增加516.1%和87.1%，达到3370.77 kW/m2和481.7 kW/(m2·K)。纳米粒子在微槽结构表面的沉积增强了其毛细芯吸作用，使其由超疏水转变成超亲水。换热表面微纳米复合结构却恶化了纳米流体沸腾换热性能，主要原因是纳米粒子沉积堵塞了换热表面纳米尺度孔道，孔道内形成气阻，从而使得沸腾换热性能下降。

目录

1 绪 论

1.1背景及意义

1.2强化换热技术

1.3主要强化换热技术研究现状

1.4课题的研究内容与创新性

2 实验系统及测试方法

2.1 沸腾实验系统设计

2.2 实验步骤及方法

2.3 实验数据处理

2.4 实验误差及不确定性分析

2.5 静态接触角测量系统

2.6实验系统可靠性分析

2.7 本章小结

3 h-BN及GO纳米流体池沸腾传热性能研究

3.1 光滑铜柱池沸腾换热特性

3.2 h-BN纳米流体池沸腾换热特性

3.3 GO纳米流体池沸腾换热特性研究

3.4 本章小结

4 微槽结构表面h-BN纳米流体核态沸腾换热特性研究

4.1微槽结构表面的设计

4.2 微槽结构对沸腾换热性能的影响

4.3 微槽结构强化沸腾换热的机理分析

4.4 本章小结

5 微纳米复合结构对纳米流体沸腾换热性能的影响

5.1 纳米结构表面对纳米流体沸腾换热性能的影响

5.2 微纳米复合结构对纳米流体沸腾换热性能的影响

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文主要结论

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间取得的主要成果

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目