納米流體及表面活性劑對沸騰換熱的影響報告人：指導教師：2012/07/05Contents沸騰換熱簡要1常用強化交換熱方法2添加表面活性劑強化換熱3使用納米流體強化換熱41.沸騰換熱簡要應用范圍

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

是通過大量汽泡的形成、成長和運動將工質由液態轉換到氣態的一種劇烈蒸發過程沸騰換熱1.沸騰換熱簡要飽和沸騰曲線自然對流換熱機理核態沸騰過度沸騰穩定膜態沸騰1.沸騰換熱簡要強制對流沸騰池內沸騰飽和沸騰換熱形式過冷沸騰池內沸騰強制對流沸騰2.常用強化換熱方法對于核態沸騰，強化換熱的關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氣體、液體過冷、液位高度、重力加速度和沸騰表面結構等對沸騰換熱的表面傳熱系數有一定影響。2.常用強化換熱方法過冷度在大擾動(如事故瞬態)情況下,過冷沸騰對系統穩定性和動態行為影響顯著。在小擾動情況下,過冷沸騰作用不明顯,對系統穩定性和動態特性影響不大。在大擾動情況下,不同過冷沸騰模型給出的分析結果之間差別較大;在小擾動情況下這一差別可忽略。選擇合適的過冷沸騰模型對動態計算十分重要2.常用強化換熱方法重力加速度重力加速度對核態沸騰換熱無影響；重力加速度對液體自然對流有影響。沸騰換熱在微重力下熱流通量有所增加2.常用強化換熱方法沸騰表面結構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.常用強化換熱方法微結構表面2.常用強化換熱方法沸騰換熱強化管表面結構示意3.添加表面活性劑強化換熱國內外許多課題組研究發現活性劑溶液特性受到活性劑種類、溶液濃度、溶液溫度和沸騰工況等因素影響；但由于復雜性,至今還沒有完全理解其強化換熱機理表面活性劑強化沸騰換熱具有添加少量活性劑就有顯著強化效果的特點，其文獻可追溯至1939年活性劑是一大類有機化合物，包括疏水基團和親水基團兩部分，添加使用時會形成膠束，溶液中開始形成膠束的最低活性劑濃度稱臨界膠束濃度(CMC)表面活性劑3.添加表面活性劑強化換熱王曄春、彭曉峰等選用不同類型表面活性劑SDS和TitonX-100，研究其對于乙醇一水混合工質的強化沸騰換熱規律，實驗表明表面活性劑能夠起到一定程度強化沸騰換熱的作用,可以有效地減少使用雙組分混合工質引起的換熱性能下降Chen等測定了20℃、40℃和60℃溫度下的活性劑95%SDS

(小于CMC)和TritonX-100(大于CMC)溶液的動力黏度,實驗表明活性劑溶液黏度受到活性劑種類、溶液溫度、溶液濃度和剪切速率的影響3.添加表面活性劑強化換熱Zhang和Manglik等研究了活性劑溶液在沸騰表面的潤濕特性，發現當活性劑溶液質量分數達到一定值后，溶液在沸騰表面的接觸角會有最低值且不再隨質量分數的增加而升高Manglik課題組系統研究了不同活性劑溶液的動態表面張力,其主要結論:對一定濃度的活性劑溶液，溶液溫度越高，動態表面張力越低；汽泡生成頻率越高，動態表面張力越高；動態表面張力除與溶液溫度和濃度有關，還與活性劑電離特性、分子量等密切相關3.添加表面活性劑強化換熱紀獻兵，徐進良以SDS十二烷基硫酸鈉為表面活性劑,研究了在不同過冷度下SDS濃度對池沸騰換熱的影響。實驗結果表明在低SDS濃度下,沸騰換熱在一定熱流密度范圍內得到顯著強化。在不同過冷度下,均存在相應的最佳SDS濃度值液體過冷度對沸騰換熱的影響3.添加表面活性劑強化換熱小結&展望對在除乙醇外的有機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表面活性劑強化飽和沸騰,對過冷沸騰的研究相對較少目前對添加表面活性劑強化沸騰散熱的機理研究不甚明朗，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構與其性能關系的基礎上4.納米流體強化換熱液體中添加納米粒子,可以顯著增加液體的導熱系數,提高熱交換系統的傳熱性能把納米粉體分散到水、醇、油等傳統換熱介質中，制備成均勻、穩定、高導熱的新型換熱介質提高熱交換系統的經濟性、可靠性和小型化,具有廣闊的應用前景和潛在的巨大經濟價值納米流體流體特點應用前景4.納米流體強化換熱納米顆粒粒徑小,有望在發展新型微型換熱設備上利用納米粒子可保持穩定懸浮不沉淀,有效地避免了其他粒子易產生的磨損或堵塞現象；對懸浮液流動起到潤滑作用粒子、壁面、液體間的相互作用使得流動層流邊界層被破壞,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大于毫米或微米級的粒子分子間作用力增加小尺寸效應導熱系數大微電信息領域應用納米流體特點4.納米流體強化換熱1995年,美國Argonne國家實驗室的Choi等提出了一個嶄新的概念--納米流體,即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或非金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱冷卻工質納米流體導熱系數的影響：納米粒子的體積分數；納米粒子本身的導熱系數；納米粒子的粒徑大小；納米粒子的團聚程度；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；納米粒子的布朗運動4.納米流體強化換熱4.納米流體強化換熱納米流體對池內沸騰沸騰換熱系數的影響（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化Suriyawong等2010TiO2-水水平圓形銅表面水平圓形鋁表面有強化有惡化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.納米流體強化換熱納米流體流動沸騰的相關研究作者年份納米流體傳熱面效果Milanova等2005SiO2-水NiCr絲表面強化Kim等2006TiO2-水NiCr絲表面強化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化Jeong等2008Al2O3-水不銹鋼絲強化劉振華等2009-2010CuO-水碳納米管-水水平方形銅表面強化劉振華等2010CuO，SiO2-水，-乙醇圓形銅表面惡化Truong2007Al2O3-水水平不銹鋼絲強化Kathirava等2010Cu-水水平不銹鋼表面強化Kwark等2010Al2O3-水水平方形銅表面強化Kim等2010Al2O3-水TiO2-水水平圓形銅表面強化

納米流體流動沸騰的相關研究作者年份納米流體傳熱面效果丁國良等2008-2009CuO-R11水平方形銅表水平銅管內沸騰換熱系數強化畢勝山等2008TiO2-HFC13水平方不銹鋼管內沸騰換熱系數強化Kim等2010Al2O3-水ZnO-水diamond-水水平方不銹鋼管內CHF強化，沸騰換熱系數變化不大Henderson等2010SiO2-R134a水平銅管內沸騰換熱系數惡化CHF強化Ahn等2010Al2O3-水水平矩形通道（材料：強力丙烯）CHF強化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化傳熱性能研究進展作者年份模型/原理結果宣益民等2003根據布朗運動理論模擬納米粒子在流體中的聚集過程,利用LatticeBoltzmann模型與Cu-水體系納米流體的實驗結果較一致王補宣等2007利用分形理論描述了納米粒子團簇結構及其隨機分布,推導出納米流體的導熱系數表達式預測CuO-水體系的導熱系數,理論值與其實驗結果較為一致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出了納米流體的導熱系數表達式理論值與Al2O3-水體系的實驗值吻合Keblinski等2002定性研究了納米流體中導熱強化的可能機制分析納米顆粒的Brown運動、顆粒表面吸附的薄液層等方面因素對納米流體導熱系數強化的作用機理Jang