改性TiO2及其纳米流体的核沸腾传热特性

采用全氟癸基三甲氧基硅烷对纳米TiO₂进行改性,有效改善了纳米粒子的团聚性能。利用两步法分别制备相同浓度范围的改性前/后TiO₂纳米流体,考察了2组纳米流体的热导率、静态接触角对核沸腾传热特性的影响。结果表明,在质量分数为0.05%时,未改性纳米流体沸腾传热系数较去离子水最大提高16.3%,改性纳米流体传热系数可提高28.57%,且改性纳米流体临界热通量较未改性纳米流体降低11.68%。热导率和接触角是影响不同润湿性纳米流体具有不同沸腾传热特性的主要因素,润湿性较差纳米流体易提前起沸和形成核化点,但随热通量的增加会造成气泡合并、恶化传热。     

羟基化多壁碳纳米管/R141b纳米流体核沸腾

向多壁碳纳米管引入羟基基团,改善了其在制冷剂R141b中的分散性和稳定性。同时研究了不同质量分数纳米流体热导率、表面颗粒沉积、接触角变化对核沸腾传热性能的影响。结果表明:羟基化碳纳米流体强化沸腾传热,强化率随质量分数的增加而增加,沸腾后期有所下降。在测试浓度范围内,质量分数为0.05%,热通量为87.4 kW·m^-2时,强化率达到最大168%。流体的热导率随着质量分数的增加而增大,质量分数为0.10%时其热导率是纯R141b的1.18倍。分析认为:纳米流体热导率的增加、表面沉积颗粒及纳米颗粒扰动是强化传热的主要影响因素,接触角变化的影响可忽略不计。结论由质量分数为0.03%纳米流体沸腾过程高速成像得到验证。     

CuO/H2O纳米流体的池沸腾传热及预测

通过络合-沉淀法合成氧化铜纳米颗粒,制备铜颗粒的直径在40～100 nm,晶型为正六面体。利用“两步法”制备水基氧化铜纳米流体。考察了不同质量分数纳米流体的热导率、接触角变化和加热表面颗粒沉积对核沸腾传热性能的影响,并利用可视化记录沸腾过程气泡行为。结果表明：在测试质量分数范围内,传热系数随热通量增加而增大,当质量分数达到0.1%时,强化率最大为146.1%。经过分析可知纳米流体的接触角度、热导率、颗粒沉积以及颗粒扰动对水基氧化铜纳米流体强化传热作用均有影响。通过高速摄像采集质量分数0.07%纳米流体沸腾过程验证结论的可靠性。并对纳米流体核沸腾传热过程建立气泡动力学经验模型,模型计算结果与实测值相对偏差在±10%以内。     

CuO/H_2O纳米流体的池沸腾传热及预测

通过络合-沉淀法合成氧化铜纳米颗粒,制备铜颗粒的直径在40~100 nm,晶型为正六面体。利用"两步法"制备水基氧化铜纳米流体。考察了不同质量分数纳米流体的热导率、接触角变化和加热表面颗粒沉积对核沸腾传热性能的影响,并利用可视化记录沸腾过程气泡行为。结果表明:在测试质量分数范围内,传热系数随热通量增加而增大,当质量分数达到0.1%时,强化率最大为146.1%。经过分析可知纳米流体的接触角度、热导率、颗粒沉积以及颗粒扰动对水基氧化铜纳米流体强化传热作用均有影响。通过高速摄像采集质量分数0.07%纳米流体沸腾过程验证结论的可靠性。并对纳米流体核沸腾传热过程建立气泡动力学经验模型,模型计算结果与实测值相对偏差在±10%以内。     

CuO-Al2O3/H2O纳米流体池沸腾传热实验及分析

为探究纳米流体池内沸腾换热特性及其影响因素,利用"两步法"制备了体积分数为0.001%—0.1%的Al_2O_3/H_2O、CuO/H_2O纳米流体以及CuO-Al_2O_3/H_2O混合颗粒纳米流体,并进行池内沸腾换热实验。结果表明:测试的体积分数范围内,纳米流体沸腾换热系数随体积分数的增大而增大,起始沸腾过热度随体积分数的增大而降低,纳米流体的传热强化率随热流密度的增大而减小。实验中,混合纳米流体的传热性能始终优于去离子水和单一颗粒的纳米流体,Al_2O_3、CuO及两者的混合纳米流体沸腾传热系数增强率最高分别达到178.2%,213.2%和253.2%。纳米颗粒的加入对沸腾传热有强化和恶化两方面的作用,在实验的不同阶段,传热效果好坏是热导率、颗粒沉积等共同作用的结果。     

两亲性纳米流体太阳能重力热管传热性能研究

针对石墨烯/水纳米流体的分散不稳定问题，采用化学方法制备了不含表面活性剂的改性石墨烯/水两亲性纳米流体，研究了以改性石墨烯/水两亲性纳米流体为工质的太阳重力热管在不同加热功率、安装角度和浓度下的热性能。结果表明，与去离子水相比，两亲性纳米流体可以降低热管的启动温度。在实验加热功率范围内，当加热功率相对较小时，两亲性纳米流体热管的热阻明显低于去离子水；随着加热功率的增加，热阻差异可以忽略。当安装角度相对较小时，其对蒸发段传热能力影响较大。当加热功率为20 W，纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时，蒸发段传热系数下降了54.7%；当加热功率为40 W，纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时，蒸发段传热系数下降了48.9%。     

纳米粒子浓度对纳米流体流动沸腾传热及压降影响综合评价

探究纳米粒子浓度对纳米流体在微细通道内流动沸腾传热和压降特性的综合影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al_2O_3/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结(DMLS)微型换热器内,设计系统压力为176k Pa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃、热流密度24~42k W/m~2和质量流率183.13~457.83kg/(m~2·s)工况下,进行单因素实验及正交实验,运用方差齐性检验法及多指标综合评价法研究粒子浓度对纳米流体在微细通道内流动沸腾传热和压降特性的综合影响。研究得出:纳米粒子浓度对纳米流体沸腾传热有显著性影响,对总压降没有显著性影响;纳米流体流动沸腾总压降随浓度的增加而减少,传热性能随纳米颗粒浓度增加成非线性变化,质量分数为0.05%~0.1%之间,传热系数随颗粒浓度的增加而增加,当质量分数大于0.1%时,传热系数随颗粒浓度的增加而减少;综合考虑纳米颗粒浓度对传热及压降的影响,运用熵值法得出纳米颗粒对传热及压降影响的权重分别为0.285、0.715,基于多指标综合评价法得出纳米流体颗粒质量分数为0.2%时,纳米流体的传热系数最佳,总压降最小。     

DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al2O3/R141b流动沸腾压降的影响

为探究纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al₂O₃/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结（DMLS）微型换热器中,设计系统压力为176 kPa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃,在热通量21.2~38.2 kW·m^-2和质量流率183.13~457.83 kg·m^-2·s^-1工况下,研究纳米粒子浓度对Al₂O₃/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响。研究结果表明：纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降有显著影响,气液两相压降随纳米流体制冷剂的纳米粒子浓度增加而减少,在纯制冷剂中R141b加入纳米粒子Al₂O₃,不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%~32.6%;通过SEM和表面静态接触角测试方法,发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面,增加了微通道表面的润湿性;对比国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型,并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正,得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内,同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%,说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。     

三角形微通道内纳米流体流动与换热特性

以去离子水为基液,通过两步法制备出粒子体积分数为0.1%的SiO₂、Al₂O₃、TiO₂纳米流体,并分别在流体内添加一定量的表面活性剂以提高其稳定性。利用紫外分光光度计和热物性分析仪,对3种纳米流体稳定性和热导率进行测试。此外,为研究纳米流体在三角形微通道内的流动与换热特性,利用红外热像仪观察通道底面温度分布。结果表明,表面活性剂会对纳米流体吸光度产生影响,且粒子会随着时间的增加逐渐团聚。纳米颗粒的添加可有效提高工质的热导率并强化对流换热,微通道底面温度明显降低,且均温性得到改善。3种纳米流体中,TiO₂纳米流体呈现出更加良好的导热和换热性能。     

沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响

多孔表面是提高沸腾传热性能的有效表面改性技术。为探究多孔表面的制备参数对沸腾传热性能的影响，应用电化学沉积法在不同的沉积时间和电流下制备了多孔表面，并在常压下对去离子水进行了池沸腾实验。与普通表面相比，多孔表面显著提高了沸腾传热性能。最大临界热流密度(CHF)和最高传热系数(HTC)分别达到3.00 MW/m²和136 kW/(m²·K),比光滑表面分别提升了145%和156%。CHF和HTC对多孔表面的增强归因于气化核心数量增加、传热面积的增加和毛细芯吸力的增强。     

改性SiO2纳米颗粒沸腾沉积层的形成原理及其沸腾换热

实验研究了改性SiO₂纳米流体液滴蒸发后的沉积图案,以及改性SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层对沸腾换热的影响。液滴蒸发实验研究表明：改性官能团会影响改性SiO₂纳米颗粒是否吸附在液-气界面,从而推断出在沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。沸腾实验研究结果表明：用聚乙二醇基团改性的SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层使加热面的平均粗糙度从160 nm大幅增长到977 nm,且能增强纯水的沸腾传热系数;而用磺酸基团改性的SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层对加热面的平均粗糙度的改变不明显,只使其增大了60 nm,且恶化了纯水的沸腾传热系数。通过沸腾换热实验结果较好地验证了通过液滴蒸发实验推断出的沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。     

低压条件下纳米流体的沸腾换热特性

在不同低压压力和不同纳米流体浓度下对光滑传热面上的水基纳米流体的池内沸腾特性进行了试验研究.纳米流体由平均直径50 nm的氧化铜粒子加入去离子水中组成,没有加入任何添加剂.研究主要针对7.2 kPa到100kPa的压力区间和0.1%到2%的质量浓度区间内压力和颗粒浓度对光滑表面沸腾换热特性的影响,研究结果表明:压力对纳米流体的沸腾换热特性有强烈影响,沸腾换热系数和临界热流密度(CHF)强化率随着压力的降低而大幅度增加.纳米流体浓度对沸腾换热系数和临界热流密度(CHF)有重要影响,并且在质量浓度约1%附近存在一个最佳颗粒浓度.研究结果显示由与去离子水相比,质量分数为1%,压力为7.2 kPa的纳米流体在光滑表面上的沸腾换热系数和临界热流密度都得到了显著提高.     

多壁碳纳米管-水纳米流体导热机理及重力热管实验研究

在考虑了纳米层的情况下对原有的Xue导热模型进行改进,研究多壁碳纳米管-水纳米流体的热传导性能,推导出纳米流体导热公式并将纳米流体运用到碳钢重力热管中,在不同质量分数下对单管传热进行实验研究。结果表明纳米层的存在提高了有效热导率;在相同条件下质量分数2%的多壁碳纳米管-水纳米流体重力热管传热性能最好,传热系数比普通水重力热管最大提高了40%。     

水基SiO2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO₂纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO₂/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明：对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。     

Nucleate pool boiling heat transfer of δ-Al2O3-R141b nanofluid on horizontal plate

对δ-Al₂O₃-R141b纳米流体在0.1 MPa系统压力下进行了池内沸腾传热性能测试。沸腾表面为2000^#砂纸打磨的光滑紫铜表面,沸腾热通量为30～130 kW·m^-2,纳米流体的体积浓度为0.1%、0.01%、0.001%。实验表明纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大。体积浓度为0.1%时,沸腾传热系数比基液增大了50.2%。分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素,而接触角的变化在此可以忽略。与Rohsenow关联式相比较,纯液体和较低浓度的纳米流体的实验数据与关联式吻合较好,相对误差最大不超过13%,高浓度时吻合较差关联式不再适用。     

基于尿素/氯化胆碱低共熔溶剂体系纳米流体制备及其热物性研究

随着电子工业的快速发展,传统换热工质由于其较低的热导率已无法满足越来越高的换热需求。另一方面,传统的换热工质受限其相对较窄的液程范围而无法使用于复杂的温况或特殊的工作条件。低共熔溶剂（DESs）具有与离子液体相似的低饱和蒸气压、高沸点及强稳定性等优势,在传热领域具有巨大的潜力。制备了以尿素/氯化胆碱低共熔溶剂体系为基液,石墨烯、Al₂O₃、TiO₂三种纳米粒子填充的纳米流体,研究了黏度、热导率等热物性与纳米粒子和基液组成之间的关系,并系统地研究了纳米粒子结构对其稳定性的影响。实验结果表明,纳米粒子的填充会在一定程度上增加基液的黏度,其中石墨烯填充的纳米流体的黏度增加最大。此外,石墨烯能显著提高DESs的导热性能,其中6%（质量）石墨烯纳米流体热导率相比基液可增加29.0%。     

TiO2纳米管阵列表面的池沸腾实验

以多个不同管径的TiO₂纳米管阵列表面以及不同Ti表面作为换热壁面,以去离子超纯水作为工质,进行重复池沸腾实验。在实验前后进行了样品润湿性能测试实验,测量了超纯水在样品表面上的静态接触角;在实验中,使用高速摄像机观测气泡动力学过程。实验结果表明,管径不是对池沸腾换热性能产生重要影响的唯一主要因素,管径尺度的凹坑难以形成有效的汽化核心,不利于强化换热。实验中没有观察到大量微小气泡,证实没有大量有效的汽化核心。由于TiO₂纳米管阵列表面的润湿性能较好,其能明显提高池沸腾的临界热通量（CHF）,最大增幅度可达116%。但部分样品在经历CHF后会出现脱落现象,脱落后,CHF明显降低。