納米技術(shù)強(qiáng)化傳熱的研究

納米技術(shù)強(qiáng)化傳熱的研究

隨著液化能源的逐漸匱乏，世界各國都面臨著能源短缺的問題。如何提高能源利用效率，以及發(fā)展和開發(fā)能源受到了人們的高度重視。換熱器既廣泛應(yīng)用于化工、石化、動力等傳統(tǒng)領(lǐng)域,又應(yīng)用于太陽能、地?zé)崮?、核能等新能源利用領(lǐng)域,其傳熱效率的高低直接影響到能源的利用效率和水平。采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)則能有效地提高換熱器的傳熱性能,減少設(shè)備體積和傳熱溫差,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材的目標(biāo)。自20世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)以來,強(qiáng)化傳熱技術(shù)得到了快速發(fā)展,先后開發(fā)出了許多強(qiáng)化單相、相變傳熱的元件與高效換熱器,如各種強(qiáng)化傳熱管(包括擴(kuò)展表面、粗糙表面)及管內(nèi)插入物和新型板式及板翅式換熱器、螺旋隔板換熱器等。目前,這些強(qiáng)化傳熱技術(shù)在工業(yè)及民用等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,并取得了顯著的節(jié)能、節(jié)材經(jīng)濟(jì)效益。隨著微電子、燃料電池、激光加工等高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,對冷卻傳熱技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因為在這些高新技術(shù)領(lǐng)域中,涉及的大多是微尺度的傳熱問題,受空間尺度的限制,在傳熱表面加工翅片或粗糙元十分困難,必須采用新的強(qiáng)化傳熱手段。納米材料因具有小的尺寸、大的表面積與體積比率以及獨(dú)特的光、磁、電、化學(xué)和機(jī)械特性,為傳熱強(qiáng)化提供了新的有效途徑。本文作者綜述了近年來納米技術(shù)在傳熱強(qiáng)化領(lǐng)域的研究進(jìn)展,主要包括納米流體的傳熱強(qiáng)化、納米膠囊潛熱型功能熱流體的傳熱強(qiáng)化及納米涂層表面的傳熱強(qiáng)化。1納米液體的開口和強(qiáng)化1.1納米流體的對傳熱特性納米流體是由美國Argonne國家實(shí)驗室最先提出的強(qiáng)化傳熱新技術(shù),它是指將粒徑小于100nm(至少一維)的金屬或非金屬納米粒子分散在普通流體(水、油、乙二醇等)中而構(gòu)成的懸浮液,并要求懸浮液必須均勻、穩(wěn)定而且能持久,納米粒子不與傳熱流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且納米粒子不易團(tuán)聚。目前廣泛研究的納米粒子主要包括Cu、Al、CuO、Al2O3、TiO2、SiO2及碳納米管等。大量研究表明,納米流體能的有效熱導(dǎo)率比其基礎(chǔ)流體有所提高。根據(jù)對流傳熱的基本理論,流體的對流傳熱系數(shù)與其自身的物性有關(guān),納米流體不僅改變了流體的熱導(dǎo)率,而且還改變了流體的密度、比熱容、黏度,對納米流體傳熱性能進(jìn)行研究是其實(shí)際應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。從目前文獻(xiàn)來看,相關(guān)研究工作主要包括:納米流體的對流傳熱強(qiáng)化、納米粒子的粒徑大小對傳熱性能的影響以及納米粒子的體積分?jǐn)?shù)對傳熱性能的影響。Duangthongsuk等實(shí)驗研究了TiO2/H2O納米流體在套管換熱器內(nèi)的強(qiáng)制對流傳熱特性,TiO2的體積分?jǐn)?shù)為0.2%時,納米流體的對流傳熱系數(shù)提高了6%~11%,而壓降稍有增加,結(jié)果表明,Gnielinski方程不能應(yīng)用于納米流體的傳熱系數(shù)計算。Asirvatham等實(shí)驗研究CuO/H2O納米流體在管內(nèi)的穩(wěn)態(tài)對流傳熱,CuO的體積分?jǐn)?shù)為0.003%時,對流傳熱系數(shù)提高了8%,同時還建立了沿流動方向的局部努塞爾特關(guān)系式,實(shí)驗結(jié)果與關(guān)系式的計算值吻合良好。Fotukian等則實(shí)驗研究了CuO/H2O納米流體在湍流條件下的對流傳熱與壓降性能,CuO的體積分?jǐn)?shù)為0.24%時,納米流體的平均對流傳熱系數(shù)提高了25%,對應(yīng)的壓降增加了20%。Nguyen等實(shí)驗研究了Al2O3/H2O納米流體的對流傳熱特性。結(jié)果表明,當(dāng)Al2O3納米粒子的體積分?jǐn)?shù)為6.8%時,其對流傳熱系數(shù)比水提高了40%。納米流體的對流傳熱性能與所選用的納米粒子種類有關(guān),不同類型的納米粒子呈現(xiàn)不同的強(qiáng)化傳熱性能,因為不同類型納米粒子的流體具有不同的電極電位,從而影響納米流體的微對流特性。Anoop等對Al/H2O納米流體在恒熱流密度下的層流傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗研究,獲得了粒子直徑分別為45nm和150nm時的對流傳熱系數(shù)。結(jié)果表明,當(dāng)粒徑為45nm時,納米流體的對流傳熱系數(shù)明顯高于粒徑為150nm的納米流體,同時還建立了納米流體在發(fā)展區(qū)域的對流傳熱系數(shù)關(guān)系式。Zhang等則以CuO/H2O納米流體為對象,實(shí)驗研究了具有不同CuO粒徑大小(23nm、51nm和76nm)的納米流體在湍流條件下的對流傳熱性能。結(jié)果表明,所有的納米流體均能強(qiáng)化流體的對流傳熱,CuO粒徑為76nm時,納米流體的對流傳熱系數(shù)最高。納米粒子的粒徑變化將改變納米流體的物性及其布朗運(yùn)動特征,從而影響對流傳熱系數(shù)。Murshed等實(shí)驗研究了TiO2/H2O納米流體的強(qiáng)制對流傳熱性能,TiO2的體積分?jǐn)?shù)為0.2%~0.8%。實(shí)驗結(jié)果表明,隨著納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加,對流傳熱系數(shù)也增加。Heris等的研究表明,Al2O3/H2O納米流體的對流傳熱系數(shù)隨Al2O3納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)為2.5%時,納米流體的對流傳熱系數(shù)比水提高了22%~41%,且壓降變化不大。隨著納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增大,納米流體的熱導(dǎo)率明顯增加,對流傳熱系數(shù)也增大,但也帶來壓降的增大。以上研究工作都是針對納米流體在光滑圓管內(nèi)進(jìn)行的,從實(shí)驗結(jié)果來看,無論是在層流還是湍流條件下,納米流體都能強(qiáng)化單相流體的對流傳熱,且強(qiáng)化傳熱性能與納米粒子的粒徑大小及其在流體中的體積分?jǐn)?shù)相關(guān)。最近,有學(xué)者采用納米流體與管內(nèi)強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行復(fù)合,研究了不同類型管內(nèi)插入物對納米流體單相對流傳熱強(qiáng)化的影響。Sundar等實(shí)驗研究了扭曲條狀插入物對Al2O3/H2O納米流體對流傳熱與壓降性能的影響,在納米粒子的體積分?jǐn)?shù)為0.5%、雷諾數(shù)在10000~22000條件下,納米流體的對流傳熱系數(shù)比水提高了33.51%,壓降則提高了1.096倍。Chandrasekar等對管內(nèi)插入螺旋線圈時,Al2O3/H2O納米流體在層流條件下的對流傳熱進(jìn)行了實(shí)驗研究,納米粒子的體積分?jǐn)?shù)為0.1%,當(dāng)雷諾數(shù)為2275時,對比水流體,納米流體的努塞爾特數(shù)最大提高了21.53%,而壓降則相當(dāng)。Sundar等在管內(nèi)設(shè)置縱向條形插入物條件下,研究了Al2O3/H2O納米流體的湍流對流傳熱性能,納米粒子的體積分?jǐn)?shù)為0.5%,在雷諾數(shù)在3000~22000條件下,納米流體的對流傳熱系數(shù)比水提高了50.12%~55.73%,壓降則是水的3.6~5.5倍,同時還建立了努塞爾特數(shù)與摩擦系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式。Pathipakka等實(shí)驗研究了管內(nèi)設(shè)有螺旋扭曲插入物時Al2O3/H2O納米流體的對流傳熱性能,納米粒子的體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%和1.5%,當(dāng)雷諾數(shù)為2039時,1.5%體積分?jǐn)?shù)的納米流體具有最大的傳熱強(qiáng)化倍數(shù),努塞爾特數(shù)比水提高了31.29%,同時還采用計算流體力學(xué)軟件對傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與實(shí)驗值吻合良好。管內(nèi)插入物促進(jìn)了納米流體在管內(nèi)的螺旋湍動,有助于抑制納米粒子的團(tuán)聚,強(qiáng)化了納米流體與傳熱表面的擾流,進(jìn)而強(qiáng)化了對流傳熱。但管內(nèi)插入物的結(jié)構(gòu)形式對傳熱與壓降性能的影響很大,選擇不合適會導(dǎo)致納米流體在傳熱系數(shù)提高的同時壓降增加較大,采用螺旋線圈具有較好的綜合強(qiáng)化傳熱性能。Godson等對納米流體對流傳熱的數(shù)學(xué)建模和強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行了綜合分析。他們認(rèn)為,納米流體在本質(zhì)上是多組分流體,在理論分析上,對納米流體的處理方式主要有兩種:一是把納米流體看成是兩相均相流且納米粒子與基礎(chǔ)流體間無滑移,它們處于熱力平衡狀態(tài);二是納米粒子與基礎(chǔ)流體間存在滑移,且處于熱力平衡狀態(tài),由于納米流體的復(fù)雜性,要建立嚴(yán)格意義上的傳熱理論模型十分困難。在強(qiáng)化傳熱機(jī)理分析上,一般認(rèn)為納米流體熱導(dǎo)率的提高是強(qiáng)化傳熱的主要因素,同時納米粒子的布朗運(yùn)動也對納米流體的傳熱強(qiáng)化起重要影響?？傮w來看,納米流體的傳熱強(qiáng)化除與納米流體的有效熱導(dǎo)率有關(guān)外,還與納米粒子的尺寸、形狀及分布、微對流、粒子與流體間的相互作用等因素有關(guān)。納米流體的傳熱強(qiáng)化程度隨雷諾數(shù)的變化因管徑而異,并且與流態(tài)有關(guān)。采用管內(nèi)插入物能進(jìn)一步提高納米流體的對流傳熱系數(shù)。1.2納米流體的池麻黃傳熱性能可能會發(fā)生在球底近年來,納米流體的沸騰傳熱強(qiáng)化研究也十分活躍。其中,研究最多的是池沸騰傳熱強(qiáng)化。然而,不同的研究者得出了不同甚至完全相反的研究結(jié)果。Taylor等對納米流體的池沸騰傳熱研究進(jìn)行了系統(tǒng)全面的綜述。從中可以看出,許多學(xué)者的研究表明納米流體的核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)可提高15%~68%,他們中的大部分注意到沸騰傳熱后納米粒子在傳熱表面沉積;另外,也有許多學(xué)者的研究表明,納米流體的池沸騰傳熱系數(shù)下降了0~40%,這些研究者中大部分則注意到沸騰傳熱后,傳熱表面形成了污垢;還有些學(xué)者的研究工作表明,對于相同的納米流體,在同一實(shí)驗過程中,某些條件下強(qiáng)化了沸騰傳熱,另一些條件下則惡化了沸騰傳熱,或者沸騰傳熱性能幾乎沒有變化。Das等也對納米流體的池沸騰傳熱研究進(jìn)行了綜述,他們探討的重點(diǎn)是納米粒子的直徑相對于表面粗糙度對沸騰傳熱的影響,試圖分析納米流體強(qiáng)化或惡化沸騰傳熱的原因。目前,關(guān)于納米流體的流動沸騰傳熱強(qiáng)化研究遠(yuǎn)比池沸騰傳熱研究要少得多,但從相關(guān)研究工作來看,納米流體能顯著地強(qiáng)化流動沸騰傳熱。Ahn等通過對傳熱壁面的掃描電鏡分析認(rèn)為,納米流體強(qiáng)化流動沸騰傳熱最可能的原因是納米粒子在傳熱表面的沉積,改變了壁面的潤濕特性。Kim等通過對不同類型納米流體的過冷流動沸騰傳熱研究也得出相同的結(jié)論。2納米膠囊治療流體的制備潛熱型熱流體是指在普通流體中添加相變膠囊粒子,在傳熱過程中,相變材料在殼體內(nèi)發(fā)生固液或固固相變,釋放(吸收)相變潛熱,從而提高流體的比熱容。在最初的研究工作中,潛熱型熱流體中添加的相變粒子其粒徑在幾十微米至幾百微米范圍內(nèi),相變膠囊粒子的外殼為高分子材料構(gòu)成,通過聚合反應(yīng)將相變材料(芯材)包裹在膠囊殼體內(nèi)。許多學(xué)者已對微膠囊粒子潛熱型熱流體的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗研究和理論分析,結(jié)果表明,潛熱型熱流體能明顯地強(qiáng)化流體的對流傳熱。但是,微米級的相變膠囊因粒徑較大而容易引起磨損破裂或在微通道內(nèi)流動時堵塞通道。若將膠囊粒徑從微米級降至納米級,不僅能有效解決上述問題,而且增大了膠囊表面積與體積的比率,既有利于提高相變材料的相變傳熱速率,又可以降低相變材料的過冷度。此外,傳熱流體的輸送泵功率也將減小,壓降降低。近年來,納米膠囊的制備成為了材料與能源領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。劉碩等對納米膠囊相變粒子的制備方法進(jìn)行了評述。Kuravi等對納米膠囊潛熱型熱流體在微通道換熱器的流動與傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗與數(shù)值研究,建立了有效熱導(dǎo)率和比熱容的數(shù)學(xué)模型。納米膠囊直徑為100nm,相變材料是石蠟,相變溫度為30℃,傳熱流體采用不導(dǎo)電油。實(shí)驗結(jié)果表明,當(dāng)納米膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時,潛熱型熱流體的努塞爾特數(shù)是基礎(chǔ)流體的1.2~1.5倍,壓降為9kPa,且努塞爾特數(shù)和壓降隨納米膠囊粒子含量的增加而增大。Hong等則研究了聚合物納米膠囊添加到水中構(gòu)成納米膠囊潛熱型熱流體的傳熱性能,也采用石蠟作為相變材料,相變溫度為27℃,納米膠囊的粒徑為175nm,當(dāng)納米膠囊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,潛熱型熱流體的最大傳熱系數(shù)比水提高了75%。從現(xiàn)有研究工作來看,納米膠囊潛熱型熱流體能顯著地強(qiáng)化單相對流傳熱,但如何制備具有不同相變溫度的納米膠囊,并獲得具有粒徑均勻、芯材包裹率高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的納米膠囊粒子還有待深入研究。3納米涂層表面的傳熱和強(qiáng)化3.1納米粒子涂層的制備方法傳熱表面結(jié)構(gòu)與特性是影響沸騰傳熱的重要因素,傳統(tǒng)的方法是采用機(jī)械加工手段在傳熱表面加工出多孔結(jié)構(gòu)以提供汽化核心來強(qiáng)化沸騰傳熱。隨著納米涂層制備方法的進(jìn)步,能在傳熱表面微觀形貌變化不大的條件下,通過改變傳熱表面的潤濕特性來強(qiáng)化沸騰傳熱。納米涂層是將粒徑小于100nm的粒子沉積在傳熱表面,并能改變傳熱表面特性的膜。任瑩等對納米涂層的制備方法進(jìn)行了綜述。而從現(xiàn)有強(qiáng)化沸騰傳熱的研究工作來看,納米涂層所采用的制備方法主要包括“化學(xué)氣相沉積”、“納米流體核態(tài)沸騰沉積”、“微反應(yīng)輔助納米材料沉積”等。其中,“納米流體核態(tài)沸騰沉積”法最為簡單和方便,它是將納米流體置于傳熱表面加熱沸騰后形成的納米粒子涂層,該方法最早由Kim等所提出。Phan等采用“納米流體核態(tài)沸騰沉積”法將納米TiO2沉積在不銹鋼板表面,通過改變傳熱表面水的接觸角大小來提高沸騰傳熱性能,當(dāng)水的接觸角接近0°或90°時,具有最高的沸騰傳熱系數(shù)。Kwark等也采用“納米流體核態(tài)沸騰沉積”法,將納米Al2O3沉積在銅基材表面,通過改變納米流體的沸騰參數(shù)獲得了具有不同厚度和結(jié)構(gòu)的納米涂層,并實(shí)驗研究了蒸餾水在不同納米涂層表面的池沸騰傳熱性能。結(jié)果表明,所有的納米涂層都能明顯強(qiáng)化水的沸騰傳熱,臨界熱流密度的大小與納米涂層的表面潤濕特性密切相關(guān)。此外,Kwark等還對納米粒子的平均粒徑、操作壓力、加熱表面方向以及加熱表面尺寸對沸騰傳熱的影響進(jìn)行了實(shí)驗研究。Ahn等采用“化學(xué)氣相沉積”法將多壁碳納米管沉積在硅基材表面,并實(shí)驗研究了PF5060在納米涂層表面的池沸騰傳熱性能。結(jié)果表明,對比光滑硅基材,納米涂層表面沸騰傳熱的臨界熱流密度提高了40%。Hendricks等采用“微反應(yīng)輔助納米材料沉積”法將納米ZnO沉積在鋁基材表面,并以水為實(shí)驗介質(zhì)進(jìn)行了池沸騰傳熱研究。結(jié)果表明,當(dāng)納米ZnO沉積在鋁基材表面時,沸騰傳熱的臨界熱流密度達(dá)到82.5W/cm2,而在光滑鋁基材表面沸騰時臨界熱流密度僅為23.2W/cm2。3.2納米涂層對模擬滴狀冷凝傳熱的影響滴狀冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝傳熱系數(shù)要高得多,但在普通的傳熱表面實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝傳熱十分困難。要實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝,則需改變傳熱表面粗糙元的形貌以控制傳熱流體在其表面的潤濕特性。采用納米涂層能有效地在改變傳熱表面的形貌,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝傳熱。Ojha等分別采用“等離子體強(qiáng)化化學(xué)氣相沉積”法和“掠射角沉積”法,在硅基材表面沉積具有不同形貌結(jié)構(gòu)的SiO2納米涂層,通過測量表面接觸角來表征潤濕特性。結(jié)果表明,涂層表面的納米尺度影響相變傳熱過程,具有較高尺寸(30nm)的桿狀SiO2納米涂層能顯著地強(qiáng)化滴狀冷凝傳熱。Lan等則實(shí)驗研究了表面自由能和納米結(jié)構(gòu)對滴狀冷凝傳熱的影響,作者采用“氧化刻蝕”法在銅基材表面制備納米結(jié)構(gòu),再在鏡面和納米結(jié)構(gòu)銅基材表面自組裝十八烷基硫醇涂層。實(shí)驗結(jié)果表明,