納米流體及表面活性劑對(duì)沸騰換熱的影響

納米流體及表面活性劑對(duì)沸騰換熱的影響報(bào)告人：指導(dǎo)教師：2012/07/05Contents沸騰換熱簡(jiǎn)要1常用強(qiáng)化交換熱方法2添加表面活性劑強(qiáng)化換熱3使用納米流體強(qiáng)化換熱41.沸騰換熱簡(jiǎn)要應(yīng)用范圍

電子元器件，電子設(shè)備等按工質(zhì)流動(dòng)特性沸騰可以分為大空間沸騰(池沸騰)和流動(dòng)沸騰沸騰換熱

是通過(guò)大量汽泡的形成、成長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)將工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈蒸發(fā)過(guò)程沸騰換熱1.沸騰換熱簡(jiǎn)要飽和沸騰曲線自然對(duì)流換熱機(jī)理核態(tài)沸騰過(guò)度沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰1.沸騰換熱簡(jiǎn)要強(qiáng)制對(duì)流沸騰池內(nèi)沸騰飽和沸騰換熱形式過(guò)冷沸騰池內(nèi)沸騰強(qiáng)制對(duì)流沸騰2.常用強(qiáng)化換熱方法對(duì)于核態(tài)沸騰，強(qiáng)化換熱的關(guān)鍵是增加汽化核心和提高氣泡脫離頻率。從影響沸騰換熱的因素可知，溶于液體中的不凝結(jié)氣體、液體過(guò)冷、液位高度、重力加速度和沸騰表面結(jié)構(gòu)等對(duì)沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有一定影響。2.常用強(qiáng)化換熱方法過(guò)冷度在大擾動(dòng)(如事故瞬態(tài))情況下,過(guò)冷沸騰對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)行為影響顯著。在小擾動(dòng)情況下,過(guò)冷沸騰作用不明顯,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性影響不大。在大擾動(dòng)情況下,不同過(guò)冷沸騰模型給出的分析結(jié)果之間差別較大;在小擾動(dòng)情況下這一差別可忽略。選擇合適的過(guò)冷沸騰模型對(duì)動(dòng)態(tài)計(jì)算十分重要2.常用強(qiáng)化換熱方法重力加速度重力加速度對(duì)核態(tài)沸騰換熱無(wú)影響；重力加速度對(duì)液體自然對(duì)流有影響。沸騰換熱在微重力下熱流通量有所增加2.常用強(qiáng)化換熱方法沸騰表面結(jié)構(gòu)孔穴直徑多孔層厚度δ孔隙率ε汽化中心密度、壓力、多孔表面材料物性等因素2.常用強(qiáng)化換熱方法微結(jié)構(gòu)表面2.常用強(qiáng)化換熱方法沸騰換熱強(qiáng)化管表面結(jié)構(gòu)示意3.添加表面活性劑強(qiáng)化換熱國(guó)內(nèi)外許多課題組研究發(fā)現(xiàn)活性劑溶液特性受到活性劑種類(lèi)、溶液濃度、溶液溫度和沸騰工況等因素影響；但由于復(fù)雜性,至今還沒(méi)有完全理解其強(qiáng)化換熱機(jī)理表面活性劑強(qiáng)化沸騰換熱具有添加少量活性劑就有顯著強(qiáng)化效果的特點(diǎn)，其文獻(xiàn)可追溯至1939年活性劑是一大類(lèi)有機(jī)化合物，包括疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)兩部分，添加使用時(shí)會(huì)形成膠束，溶液中開(kāi)始形成膠束的最低活性劑濃度稱(chēng)臨界膠束濃度(CMC)表面活性劑3.添加表面活性劑強(qiáng)化換熱王曄春、彭曉峰等選用不同類(lèi)型表面活性劑SDS和TitonX-100，研究其對(duì)于乙醇一水混合工質(zhì)的強(qiáng)化沸騰換熱規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明表面活性劑能夠起到一定程度強(qiáng)化沸騰換熱的作用,可以有效地減少使用雙組分混合工質(zhì)引起的換熱性能下降Chen等測(cè)定了20℃、40℃和60℃溫度下的活性劑95%SDS

(小于CMC)和TritonX-100(大于CMC)溶液的動(dòng)力黏度,實(shí)驗(yàn)表明活性劑溶液黏度受到活性劑種類(lèi)、溶液溫度、溶液濃度和剪切速率的影響3.添加表面活性劑強(qiáng)化換熱Zhang和Manglik等研究了活性劑溶液在沸騰表面的潤(rùn)濕特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值后，溶液在沸騰表面的接觸角會(huì)有最低值且不再隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高M(jìn)anglik課題組系統(tǒng)研究了不同活性劑溶液的動(dòng)態(tài)表面張力,其主要結(jié)論:對(duì)一定濃度的活性劑溶液，溶液溫度越高，動(dòng)態(tài)表面張力越低；汽泡生成頻率越高，動(dòng)態(tài)表面張力越高；動(dòng)態(tài)表面張力除與溶液溫度和濃度有關(guān)，還與活性劑電離特性、分子量等密切相關(guān)3.添加表面活性劑強(qiáng)化換熱紀(jì)獻(xiàn)兵，徐進(jìn)良以SDS十二烷基硫酸鈉為表面活性劑,研究了在不同過(guò)冷度下SDS濃度對(duì)池沸騰換熱的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低SDS濃度下,沸騰換熱在一定熱流密度范圍內(nèi)得到顯著強(qiáng)化。在不同過(guò)冷度下,均存在相應(yīng)的最佳SDS濃度值液體過(guò)冷度對(duì)沸騰換熱的影響3.添加表面活性劑強(qiáng)化換熱小結(jié)&展望對(duì)在除乙醇外的有機(jī)溶劑中添加表面活性劑情況的研究比較少目前研究大多針對(duì)表面活性劑強(qiáng)化飽和沸騰,對(duì)過(guò)冷沸騰的研究相對(duì)較少目前對(duì)添加表面活性劑強(qiáng)化沸騰散熱的機(jī)理研究不甚明朗，另外研究活性劑溶液在沸騰工況下的物理特性可以建立在理解活性劑分子結(jié)構(gòu)與其性能關(guān)系的基礎(chǔ)上4.納米流體強(qiáng)化換熱液體中添加納米粒子,可以顯著增加液體的導(dǎo)熱系數(shù),提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能把納米粉體分散到水、醇、油等傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定、高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)提高熱交換系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和小型化,具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值納米流體流體特點(diǎn)應(yīng)用前景4.納米流體強(qiáng)化換熱納米顆粒粒徑小,有望在發(fā)展新型微型換熱設(shè)備上利用納米粒子可保持穩(wěn)定懸浮不沉淀,有效地避免了其他粒子易產(chǎn)生的磨損或堵塞現(xiàn)象；對(duì)懸浮液流動(dòng)起到潤(rùn)滑作用粒子、壁面、液體間的相互作用使得流動(dòng)層流邊界層被破壞,傳熱增加相同粒子體積含量下,納米粒子表面積和熱容量遠(yuǎn)大于毫米或微米級(jí)的粒子分子間作用力增加小尺寸效應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)大微電信息領(lǐng)域應(yīng)用納米流體特點(diǎn)4.納米流體強(qiáng)化換熱1995年,美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Choi等提出了一個(gè)嶄新的概念--納米流體,即以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或非金屬氧化物粒子,形成一類(lèi)新的傳熱冷卻工質(zhì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響：納米粒子的體積分?jǐn)?shù)；納米粒子本身的導(dǎo)熱系數(shù)；納米粒子的粒徑大?。患{米粒子的團(tuán)聚程度；納米粒子的表面特性；納米顆粒的形狀；基液的影響；流體的懸浮穩(wěn)定性；納米流體的黏度；表面活性劑或分散劑的影響；固液界面的特性；納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)4.納米流體強(qiáng)化換熱4.納米流體強(qiáng)化換熱納米流體對(duì)池內(nèi)沸騰沸騰換熱系數(shù)的影響（2）作者年份納米流體傳熱面效果劉振華等2009-2010CuO-水碳納米管-水水平方形銅表面強(qiáng)化Kathiravan等2010Cu-水水平方形不銹鋼表面惡化Kwark等2010Al2O3-水水平方形銅表面基本不變或惡化Soltani等2010Al2O3-水豎直不銹鋼柱狀表面強(qiáng)化Suriyawong等2010TiO2-水水平圓形銅表面水平圓形鋁表面有強(qiáng)化有惡化You等2003Al2O3-水水平方形銅表面基本不變Kim等2004Al2O3-水水平不銹鋼圓表面基本不變Jr等2005Al2O3-水ZnO-水水平方形銅表面基本不變Vassallo等2004SiO2-水NiCr絲表面基本不變Park等2004Al2O3-水不銹鋼金屬球體表面惡化Lotfi等2009Ag-水銀的球體表面惡化4.納米流體強(qiáng)化換熱納米流體流動(dòng)沸騰的相關(guān)研究作者年份納米流體傳熱面效果Milanova等2005SiO2-水NiCr絲表面強(qiáng)化Kim等2006TiO2-水NiCr絲表面強(qiáng)化Coursey等2008Al2O3-水Al2O3-乙醇水平圓形銅表面氧化后的圓形銅表面強(qiáng)化Kim等2007Al2O3-水TiO2-水SiO2-水水平不銹鋼絲水平不銹鋼矩形表面強(qiáng)化Jeong等2008Al2O3-水不銹鋼絲強(qiáng)化劉振華等2009-2010CuO-水碳納米管-水水平方形銅表面強(qiáng)化劉振華等2010CuO，SiO2-水，-乙醇圓形銅表面惡化Truong2007Al2O3-水水平不銹鋼絲強(qiáng)化Kathirava等2010Cu-水水平不銹鋼表面強(qiáng)化Kwark等2010Al2O3-水水平方形銅表面強(qiáng)化Kim等2010Al2O3-水TiO2-水水平圓形銅表面強(qiáng)化

納米流體流動(dòng)沸騰的相關(guān)研究作者年份納米流體傳熱面效果丁國(guó)良等2008-2009CuO-R11水平方形銅表水平銅管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)強(qiáng)化畢勝山等2008TiO2-HFC13水平方不銹鋼管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)強(qiáng)化Kim等2010Al2O3-水ZnO-水diamond-水水平方不銹鋼管內(nèi)CHF強(qiáng)化，沸騰換熱系數(shù)變化不大Henderson等2010SiO2-R134a水平銅管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)惡化CHF強(qiáng)化Ahn等2010Al2O3-水水平矩形通道（材料：強(qiáng)力丙烯）CHF強(qiáng)化You等2003Al2O3-水水平方形銅表面基本不變Kim等2004Al2O3-水水平不銹鋼圓表面基本不變Jr等2005Al2O3-水ZnO-水水平方形銅表面基本不變納米流體及其強(qiáng)化傳熱性能研究進(jìn)展作者年份模型/原理結(jié)果宣益民等2003根據(jù)布朗運(yùn)動(dòng)理論模擬納米粒子在流體中的聚集過(guò)程,利用LatticeBoltzmann模型與Cu-水體系納米流體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致王補(bǔ)宣等2007利用分形理論描述了納米粒子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)及其隨機(jī)分布,推導(dǎo)出納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式預(yù)測(cè)CuO-水體系的導(dǎo)熱系數(shù),理論值與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致Xue等2003利用Maxwell理論和平均極化理論,考慮固體顆粒與基體液相的界面作用推導(dǎo)出了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式理論值與Al2O3-水體系的實(shí)驗(yàn)值吻合Keblinski等2002定性研究了納米流體中導(dǎo)熱強(qiáng)化的可能機(jī)制分析納米顆粒的Brown運(yùn)動(dòng)、顆粒表面吸附的薄液層等方面因素對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)化的作用機(jī)理Jang