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。     

二氧化铈/水基纳米流体核沸腾传热特性

对CeO₂纳米流体进行了池沸腾传热特性研究,考察了CeO₂/水基纳米流体的热导率,静态接触角以及沸腾后表面沉积情况对沸腾传热的影响。结果表明,CeO₂纳米流体可提高沸腾传热系数,且纳米流体最佳质量分数为0.05％,其沸腾传热系数较去离子水提高36%。热导率以及接触角随纳米流体质量分数的增加而增加,在本实验范围内,热导率最大增加1%;而纳米流体接触角从50.5°增加到92.9°;表面沉积随纳米流体的质量分数增加越来越明显,去离子水在沉积表面的接触角发生较大变化（51.4°~134.4°）。纳米流体的热导率影响可忽略不计;而接触角和沸腾表面颗粒沉积对纳米流体的强化传热作用影响较大。     

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。     

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。     

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。     

水基纳米流体传递性质的分子动力学模拟研究

采用平衡分子动力学方法,探讨了系统温度、纳米颗粒的体积分数及能量因子对水基纳米流体的热导率和黏度的影响。模拟结果表明,随着系统温度的升高,水基纳米流体的热导率增大,而黏度减小;水基纳米流体的热导率及黏度均随着纳米颗粒体积分数的增加而增大,当纳米颗粒的体积分数2%时,水基纳米流体的热导率增幅较小;随着纳米颗粒能量因子的增加,水基纳米流体的热导率增大,而黏度基本不变。     

CuO-水纳米流体多孔球层池沸腾传热特性

对CuO-水纳米流体在6mm多孔球层内进行池沸腾实验研究。实验使用了40nm的CuO纳米颗粒,加以不同浓度的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂,配成多种不同配比关系的纳米流体。实验结果表明,当表面活性剂浓度与纳米颗粒浓度在0.01%~0.03%（质量分数,下同）之间变化时,两者浓度相近的纳米流体稳定性较好,沸腾传热效果高。其中表面活性剂浓度略高于CuO浓度时,传热效果较好,在SDBS浓度为0.03%、CuO浓度为0.02%时达到最大,为41670W/(m²·K);而纳米颗粒浓度增大时,根据其对纳米流体的稳定性和沉降效应的影响,在不同程度上可增强或削弱沸腾传热。同时对纳米流体的池沸腾进行可视化研究,利用气泡脱离特性对实验结果作了诠释。所得结果可为纳米流体在多孔球层的池沸腾传热特性研究提供有益的研究数据。     

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.     

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。     

Cu-水纳米流体重力热管传热研究

对粒径分别为50、80以及100nm的水基Cu纳米流体作为工质的重力热管的传热特性进行了试验研究。着重分析了水基Cu纳米流体的质量分数、纳米颗粒的粒径对重力热管对流传热系数的影响。试验发现,相同粒径的纳米流体,均在质量分数为0.5%时,传热效果最好;对于相同质量分数的纳米流体来说,50 nm Cu纳米流体的传热效果最好。     

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。     

基于自润湿溶液的纳米表面传热性能

采用阳极氧化法在钛板表面制备出TiO₂纳米管阵列,并以其为加热表面。以含不同浓度丁醇的自润湿溶液为实验工质,考察了自润湿溶液浓度变化对系统临界热流密度和传热系数的影响,并从气泡行为的不同分析了两者耦合强化传热的机理。结果表明：相比于光滑表面和蒸馏水的常规组合,TiO₂纳米管表面和自润湿溶液耦合传热使得系统的临界热流密度大幅度提高,随自润湿溶液浓度的升高,传热系数依次降低。具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与1%（质量分数,下同）自润湿性溶液相耦合时,其最大传热系数和临界热流密度分别为11.963 kW·m^-2·℃^-1与623.706 kW·m^-2,比常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。由气泡可视化可知,耦合传热在沸腾过程中产生的气泡细小,脱离速度快,不易团聚,合并后的气泡易破碎,易形成微气泡,从而使系统进入剧烈的微气泡沸腾状态。气泡的高脱离频率和特殊有效的液体补充路径,是提高系统传热系数和临界热流密度的主要原因。     

高热通量水平管外池沸腾传热

在制冷空调的满液式蒸发器中,制冷剂在壳侧沸腾蒸发,管内为水的单相对流传热。实验研究了高热通量下R134a在一根光管和一根强化管（No.1）外的池沸腾传热,并将光管实验结果和Cooper公式进行了比较。在不同的饱和温度下,热通量10～250 kW·m^-2的范围内,研究了R134a在光管和强化管外的沸腾传热系数随热通量的变化关系。光管和强化管外径分别为15.93 mm 和 25.36 mm。通过研究发现,在热通量10～250 kW·m^-2的范围内,光管的池沸腾传热系数和Cooper公式符合较好,偏差小于±15%。在双对数坐标下传热系数和热通量实验结果拟合直线斜率为0.67。在较高热通量,即热通量大于250 kW·m^-2时,光管的传热系数相对Cooper公式偏差开始增大。对于高效管,在小于40 kW·m^-2热通量下的传热效果最好。强化管的强化倍率随热通量增加一直减小,在较高热通量250 kW·m^-2下,强化管的传热系数和光管相同,甚至比光管小。     

水平微细管内CO2流动沸腾换热特性

对CO₂在水平微细管内流动沸腾换热进行了实验研究。实验工况：饱和温度-40～0℃,热通量5～35 kW·m^-2,质量流率200～1500 kg·m^-2·s^-1,管径1.5 mm。实验结果表明：热通量增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,同时加快干涸发展进程,降低干涸起始干度;质量流率对于传热系数的影响较小,随着质量流率的增加干涸起始干度降低,干涸后的传热系数有所增加;饱和温度对CO₂物性的影响是造成其不同工况时换热特性差异的主要原因,饱和温度升高干涸起始干度具有降低的趋势,且干涸后传热系数下降更为剧烈。通过与理论预测模型的对比研究：Cheng模型对干涸前具有较高的预测精度,在30%误差带内预测精度达到77.1%,绝对平均偏差为20.5%,干涸后对应预测精度比与绝对平均偏差仅为22.9%与57.8%。     

氧化石墨烯表面的饱和池沸腾强化传热实验

利用氧化石墨烯（GO）纳米片沸腾自组装法（self-assembly）制备出GO纳米表面,以蒸馏水为液体工质,对常压下GO纳米表面和光滑铜平面的饱和池沸腾换热特性进行了对比实验研究,并用高速摄像机拍摄了汽泡的动态行为。结果表明,GO纳米表面降低了换热壁面的过热度,其临界热流密度（CHF）和换热系数（HTC）分别达到了208W/cm²和7.25W/(cm²?K),较光滑铜平面分别提高了66.4%和86.9%。分析认为,是铜基底表面沉积的润湿性优异的高导热二维GO层状结构促使了CHF提高。汽泡可视化观察发现,相比于光滑铜平面,较低热流密度时,相同热流下GO纳米表面上汽泡脱离直径较小,脱离频率较高,汽化核心增多;较高热流密度时,光滑铜平面汽泡合并现象更严重,即GO纳米表面能延缓导致CHF产生的表面蒸汽膜的出现。     

垂直上升内螺纹管内流动沸腾传热特性

在压力9～22 MPa,质量流速450～2000 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷200～700 kW·m^-2的参数范围内,试验研究了用于1000 MW超超临界锅炉φ28.6 mm×5.8 mm垂直上升内螺纹水冷壁管内汽水流动沸腾传热。研究表明：内螺纹管内壁螺纹的漩流作用可抑制偏离核态沸腾（DNB）传热恶化,内螺纹管在高干度区发生蒸干型（DO）传热恶化。增大质量流速可推迟壁温飞升,壁温飞升幅度随质量流速增大而降低。热负荷越大管壁温越高,随热负荷增大管壁壁温飞升提前,且传热恶化后壁温飞升值增大。随着压力增加,壁温飞升发生干度值减小。内螺纹管汽水流动沸腾传热系数呈π形分布,传热系数峰值出现在汽水沸腾区。文中还给出了亚临界压力区内螺纹管单相区和汽水沸腾区的传热系数试验关联式。     

泡沫金属复合相变材料的制备与性能分析

利用泡沫金属多孔结构的吸附性能,以八水氢氧化钡为相变材料,泡沫铜为基体,制备了结晶水合盐/泡沫金属复合相变材料。采用差示扫描量热法测定了八水氢氧化钡的热循环性能,随着热循环次数的增加,相变材料的相变温度基本不变,相变潜热略有减少,八水氢氧化钡具有较好的热稳定性。搭建了相变储能实验台,实验分析了3组不同实验方案,结果表明,填充泡沫铜不仅增强了相变材料的传热速率,而且有效地降低了八水氢氧化钡的过冷度。当泡沫金属使用较大孔密度后,结晶水合盐的过冷问题得到了比较明显的改善。     

竖直多孔管降膜蒸发传热实验

研究了内表面烧结型多孔管对降膜蒸发换热效果的影响。采用单管降膜蒸发器,由壳程的蒸汽加热管程的水降膜传热。在热通量q=13~90 kW·m^-2,传热温差ΔT=2.87~9.5℃,液体Reynolds数Re_L=4500~15000 范围内,求不同工况下管内降膜传热系数,并将其与相对应的光管换热性能进行比较。比较数据可知:多孔管的管内降膜传热系数是光管的2.03 倍,总传热系数是光管的1.78 倍,多孔管强化传热效果明显。