纳米流体及表面活性剂对沸腾换热的影响

,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,纳米流体及表面活性剂对沸腾换热的影响,报告人,：,指导教师,：,2012/07/05,Contents,沸腾换热简要,1,常用强化交换热方法,2,添加表面活性剂强化换热,3,使用纳米流体强化换热,4,1.,沸腾换热简要,应用范围,电子元器件，电子设备,等,按工质流动特性,沸腾可以分为大空间沸腾,(,池沸腾,),和流动沸腾,沸腾换热,是通过大量汽泡的形成、成长和运动将工质由液态转换到气态的一种剧烈蒸发过程,沸腾换热,1.,沸腾换热简要,饱和沸腾曲线,自然对流,换热机理,核态沸腾,过度沸腾,稳定膜态沸腾,1.,沸腾换热简要,强制对流,沸腾,池,内沸腾,饱和沸腾,换热,形式,过冷沸腾,池内沸腾,强制对流沸腾,2.,常用强化换热方法,对于核态,沸腾，强化换热的关键是,增加汽化核心,和,提高气泡脱离频率。,从影响沸腾换热的因素可知，溶于液体中的,不凝结气体,、,液体过冷,、,液位高度,、,重力加速度,和,沸腾表面结构,等对沸腾换热的表面传热系数有一定影响。,2.,常用强化换热方法,过冷度,在大扰动,(,如事故瞬态,),情况下,过冷沸腾对系统稳定性和动态行为影响显著。,在小扰动情况下,过冷沸腾作用不明显,对系统稳定性和动态特性影响不大。,在大扰动情况下,不同过冷沸腾模型给出的分析结果之间差别较大,;,在小扰动情况下这一差别可忽略。选择合适的过冷沸腾模型对动态计算十分重要,2.,常用强化换热方法,重力加速度,重力加速度对核态沸腾换热无影响；重力加速度对液体自然对流有影响。,沸腾换热在微重力下热流通量有所增加,2.,常用强化换热方法,沸腾表面结构,孔穴直径,多孔层厚度,孔隙率,汽化中心密度、压力、多孔表面材料物性等因素,2.,常用强化换热方法,微结构表面,2.,常用强化换热方法,沸腾换热强化管表面结构示意,3.,添加表面活性剂强化换热,国内外许多课题组研究发现活性剂溶液特性受到,活性剂种类、溶液浓度、溶液温度和沸腾工况,等因素影响；但由于,复杂性,至今还没有完全理解其强化换热机理,表面活性剂强化沸腾换热具有,添加少量,活性剂就,有显著强化效果,的特点，,其文献可追溯至,1939,年,活性剂,是一大类有机化合物，包括疏水基团和亲水基团两部分，添加使用时会形成胶束，溶液中开始形成胶束的最低活性剂浓度称临界胶束浓度,(CMC),表面活性剂,3.,添加表面活性剂强化换热,王晔春、彭晓峰等选用不同类型表面活性剂,SDS,和,Titon X-100,，研究其对于,乙醇一水混合工质,的强化沸腾换热规律，实验表明表面活性剂能够起到,一定程度强化,沸腾换热的作用,可以有效地减少使用双组分混合工质引起的换热性能下降,Chen,等测定了,20,、,40,和,60,温度下的活性剂,95%SDS,(,小于,CMC,),和,Triton X-100,(,大于,CMC,),溶液的动力黏度,实验表明,活性剂溶液黏度,受到,活性剂种类、溶液温度、溶液浓度,和,剪切速率,的影响,3.,添加表面活性剂强化换热,Zhang,和,Manglik,等研究了活性剂溶液在沸腾表面的,润湿特性,，发现当活性剂溶液质量分数达到一定值后，溶液在沸腾表面的,接触角会有最低值,且不再随质量分数的增加而升高,Manglik,课题组系统研究了不同活性剂溶液的动态表面张力,其主要结论,:,对一定浓度的活性剂溶液，溶液温度越高，动态表面张力越低；汽泡生成频率越高，动态表面张力越高；动态表面张力除与溶液温度和浓度有关，还与活性剂电离特性、分子量等密切相关,3.,添加表面活性剂强化换热,纪献兵，徐进良以,SDS,十二烷基硫酸钠为表面活性剂,研究了在,不同过冷度下,SDS,浓度,对池沸腾换热的影响。实验结果表明在低,SDS,浓度下,沸腾换热在一定热流密度范围内得到显著强化。在不同过冷度下,均存在相应的最佳,SDS,浓度值,液体过冷度对沸腾换热的影响,3.,添加表面活性剂强化换热,小结,&,展望,对在除乙醇外的有机溶剂中添加表面活性剂情况的研究比较少,目前研究大多针对表面活性剂强化饱和沸腾,对过冷沸腾的研究相对较少,目前对添加表面活性剂强化沸腾散热的机理研究不甚明朗，另外研究活性剂溶液在沸腾工况下的物理特性可以建立在理解活性剂分子结构与其性能关系的基础上,4.,纳米流体强化换热,液体中添加纳米粒子,可以显著增加液体的导热系数,提高热交换系统的传热性能,把纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质,提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化,具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济价值,纳米流体,流体,特点,应用,前景,4.,纳米流体强化换热,纳米颗粒粒径小,有望在发,展新型微型换热设备上利用,纳米粒子可保持稳定悬浮不沉淀,有效地避免了其他粒子易产生的磨损或堵塞现象；对悬浮液流动起到润滑作用,粒子、壁面、液体间的相互作用使得流动层流边界层被破坏,传热增加,相同粒子体积含量下,纳米粒子表面积和热容量远大于毫米或微米级的粒子,分子间作,用力增加,小尺寸,效应,导热系,数大,微电信息,领域应用,纳米流,体特点,4.,纳米流体强化换热,1995,年,美国,Argonne,国家实验室的,Choi,等提出了一个崭新的概念,-,纳米流体,即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子,形成一类新的传热冷却工质,纳米流体导热系数的影响：纳米粒子的体积分数；纳米粒子本身的导热系数；纳米粒子的粒径大小；纳米粒子的团聚程度；纳米粒子的表面特性；纳米颗粒的形状；基液的影响；流体的悬浮稳定性；纳米流体的黏度；表面活性剂或分散剂的影响；固液界面的特性；纳米粒子的布朗运动,4.,纳米流体强化换热,4.,纳米流体强化换热,纳米流体对池内沸腾沸腾换热系数的影响（,2,）,作者,年份,纳米流体,传热面,效果,刘振华等,2009-2010,CuO-,水,碳纳米管,-,水,水平方形铜表面,强化,Kathiravan,等,2010,Cu-,水,水平方形不锈钢表面,恶化,Kwark,等,2010,Al,2,O,3,-,水,水平方形铜表面,基本不变或恶化,Soltani,等,2010,Al,2,O,3,-,水,竖直不锈钢柱状表面,强化,Suriyawong,等,2010,TiO,2,-,水,水平圆形铜表面,水平圆形铝表面,有强化有恶化,You,等,2003,Al,2,O,3,-,水,水平方形铜表面,基本不变,Kim,等,2004,Al,2,O,3,-,水,水平不锈钢圆表面,基本不变,Jr,等,2005,Al,2,O,3,-,水,ZnO-,水,水平方形铜表面,基本不变,Vassallo,等,2004,SiO,2,-,水,NiCr,丝表面,基本不变,Park,等,2004,Al,2,O,3,-,水,不锈钢金属球体表面,恶化,Lotfi,等,2009,Ag-,水,银的球体表面,恶化,4.,纳米流体强化换热,纳米流体流动沸腾的相关研究,作者,年份,纳米流体,传热面,效果,Milanova,等,2005,SiO,2,-,水,NiCr,丝表面,强化,Kim,等,2006,TiO,2,-,水,NiCr,丝表面,强化,Coursey,等,2008,Al,2,O,3,-,水,Al,2,O,3,-,乙醇,水平圆形铜表面,氧化后的圆形铜表面,强化,Kim,等,2007,Al,2,O,3,-,水,TiO,2,-,水,SiO,2,-,水,水平不锈钢丝,水平不锈钢矩形表面,强化,Jeong,等,2008,Al,2,O,3,-,水,不锈钢丝,强化,刘振华等,2009-2010,CuO-,水,碳纳米管,-,水,水平方形铜表面,强化,刘振华等,2010,CuO,，,SiO2,-,水，,-,乙醇,圆形铜表面,恶化,Truong,2007,Al,2,O,3,-,水,水平不锈钢丝,强化,Kathirava,等,2010,Cu-,水,水平不锈钢表面,强化,Kwark,等,2010,Al,2,O,3,-,水,水平方形铜表面,强化,Kim,等,2010,Al,2,O,3,-,水,TiO,2,-,水,水平圆形铜表面,强化,纳米流体流动沸腾的相关研究,作者,年份,纳米流体,传热面,效果,丁国良等,2008-2009,CuO-R11,水平方形铜表,水平铜管内,沸腾换热,系数强化,毕胜山等,2008,TiO,2,-HFC13,水平方不锈钢管内,沸腾换热,系数强化,Kim,等,2010,Al,2,O,3,-,水,ZnO-,水,diamond-,水,水平方不锈钢管内,CHF,强化 ，,沸腾换热系数,变化不大,Henderson,等,2010,SiO,2,-R134a,水平铜管内,沸腾换热系数恶化,CHF,强化,Ahn,等,2010,Al,2,O,3,-,水,水平矩形通道,（材料：强力丙烯）,CHF,强化,You,等,2003,Al,2,O,3,-,水,水平方形铜表面,基本不变,Kim,等,2004,Al,2,O,3,-,水,水平不锈钢圆表面,基本不变,Jr,等,2005,Al,2,O,3,-,水,ZnO-,水,水平方形铜表面,基本不变,纳米流体及其强化传热性能研究进展,作者,年份,模型,/,原理,结果,宣益民等,2003,根据布朗运动理论模拟纳米粒子在流体中的聚集过程,利用,Lattice Boltzmann,模型,与,Cu-,水体系纳米流体的实验结果较一致,王补宣等,2007,利用分形理论描述了纳米粒子团簇结构及其随机分布,推导出纳米流体的导热系数表达式,预测,CuO-,水体系的导热,系数,理论值与其实验结果较为一致,Xue,等,2003,利用,Maxwell,理论和平均极化理论,考虑固体颗粒与基体液相的界面作用推导出了纳米流体的导热系数表达式,理论值与,Al,2,O,3,-,水体系的实验值吻合,Keblinski,等,2002,定性研究了纳米流体中导热强化的可能机制,分析纳米颗粒的,Brown,运动、颗粒表面吸附的薄液层等方面因素对纳米流体导热系数强化的作用机理,Jang,等,2004-2005,在流体中主要是布朗运动促进热传导而不是颗粒本身运动的直接贡献，推导出纳米流体导热系数的数学模型,模型很好地说明了纳米流体导热系数与温度、颗粒粒径、体积分数的关系，并,Al,2,O,3,-,水,等体系实验结果一致,4.,纳米流体强化换热,小结,&,展望,纳米流体制备,纳米粒子观测,临界热流研究,传热机理研究,拓展应用到各类工程领域,Thanks for,your attention,!,Any Question?,