納米技術強化傳熱的研究

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，以及發展和開發能源受到了人們的高度重視。換熱器既廣泛應用于化工、石化、動力等傳統領域,又應用于太陽能、地熱能、核能等新能源利用領域,其傳熱效率的高低直接影響到能源的利用效率和水平。采用強化傳熱技術則能有效地提高換熱器的傳熱性能,減少設備體積和傳熱溫差,從而實現節能、節材的目標。自20世紀70年代世界石油危機以來,強化傳熱技術得到了快速發展,先后開發出了許多強化單相、相變傳熱的元件與高效換熱器,如各種強化傳熱管(包括擴展表面、粗糙表面)及管內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,這些強化傳熱技術在工業及民用等領域已得到廣泛應用,并取得了顯著的節能、節材經濟效益。隨著微電子、燃料電池、激光加工等高新技術領域的發展,對冷卻傳熱技術提出了嚴峻的挑戰。因為在這些高新技術領域中,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特的光、磁、電、化學和機械特性,為傳熱強化提供了新的有效途徑。本文作者綜述了近年來納米技術在傳熱強化領域的研究進展,主要包括納米流體的傳熱強化、納米膠囊潛熱型功能熱流體的傳熱強化及納米涂層表面的傳熱強化。1納米液體的開口和強化1.1納米流體的對傳熱特性納米流體是由美國Argonne國家實驗室最先提出的強化傳熱新技術,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)中而構成的懸浮液,并要求懸浮液必須均勻、穩定而且能持久,納米粒子不與傳熱流體發生化學反應,且納米粒子不易團聚。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率比其基礎流體有所提高。根據對流傳熱的基本理論,流體的對流傳熱系數與其自身的物性有關,納米流體不僅改變了流體的熱導率,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行研究是其實際應用的前提和基礎。從目前文獻來看,相關研究工作主要包括:納米流體的對流傳熱強化、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數對傳熱性能的影響。Duangthongsuk等實驗研究了TiO2/H2O納米流體在套管換熱器內的強制對流傳熱特性,TiO2的體積分數為0.2%時,納米流體的對流傳熱系數提高了6%~11%,而壓降稍有增加,結果表明,Gnielinski方程不能應用于納米流體的傳熱系數計算。Asirvatham等實驗研究CuO/H2O納米流體在管內的穩態對流傳熱,CuO的體積分數為0.003%時,對流傳熱系數提高了8%,同時還建立了沿流動方向的局部努塞爾特關系式,實驗結果與關系式的計算值吻合良好。Fotukian等則實驗研究了CuO/H2O納米流體在湍流條件下的對流傳熱與壓降性能,CuO的體積分數為0.24%時,納米流體的平均對流傳熱系數提高了25%,對應的壓降增加了20%。Nguyen等實驗研究了Al2O3/H2O納米流體的對流傳熱特性。結果表明,當Al2O3納米粒子的體積分數為6.8%時,其對流傳熱系數比水提高了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,不同類型的納米粒子呈現不同的強化傳熱性能,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行了實驗研究,獲得了粒子直徑分別為45nm和150nm時的對流傳熱系數。結果表明,當粒徑為45nm時,納米流體的對流傳熱系數明顯高于粒徑為150nm的納米流體,同時還建立了納米流體在發展區域的對流傳熱系數關系式。Zhang等則以CuO/H2O納米流體為對象,實驗研究了具有不同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。結果表明,所有的納米流體均能強化流體的對流傳熱,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動特征,從而影響對流傳熱系數。Murshed等實驗研究了TiO2/H2O納米流體的強制對流傳熱性能,TiO2的體積分數為0.2%~0.8%。實驗結果表明,隨著納米粒子體積分數的增加,對流傳熱系數也增加。Heris等的研究表明,Al2O3/H2O納米流體的對流傳熱系數隨Al2O3納米粒子體積分數的增加而增大,當其體積分數為2.5%時,納米流體的對流傳熱系數比水提高了22%~41%,且壓降變化不大。隨著納米粒子體積分數的增大,納米流體的熱導率明顯增加,對流傳熱系數也增大,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進行的,從實驗結果來看,無論是在層流還是湍流條件下,納米流體都能強化單相流體的對流傳熱,且強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數相關。最近,有學者采用納米流體與管內強化技術進行復合,研究了不同類型管內插入物對納米流體單相對流傳熱強化的影響。Sundar等實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數為0.5%、雷諾數在10000~22000條件下,納米流體的對流傳熱系數比水提高了33.51%,壓降則提高了1.096倍。Chandrasekar等對管內插入螺旋線圈時,Al2O3/H2O納米流體在層流條件下的對流傳熱進行了實驗研究,納米粒子的體積分數為0.1%,當雷諾數為2275時,對比水流體,納米流體的努塞爾特數最大提高了21.53%,而壓降則相當。Sundar等在管內設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,納米粒子的體積分數為0.5%,在雷諾數在3000~22000條件下,納米流體的對流傳熱系數比水提高了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與摩擦系數的經驗關系式。Pathipakka等實驗研究了管內設有螺旋扭曲插入物時Al2O3/H2O納米流體的對流傳熱性能,納米粒子的體積分數分別為0.5%、1.0%和1.5%,當雷諾數為2039時,1.5%體積分數的納米流體具有最大的傳熱強化倍數,努塞爾特數比水提高了31.29%,同時還采用計算流體力學軟件對傳熱性能進行了數值模擬,模擬結果與實驗值吻合良好。管內插入物促進了納米流體在管內的螺旋湍動,有助于抑制納米粒子的團聚,強化了納米流體與傳熱表面的擾流,進而強化了對流傳熱。但管內插入物的結構形式對傳熱與壓降性能的影響很大,選擇不合適會導致納米流體在傳熱系數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化傳熱性能。Godson等對納米流體對流傳熱的數學建模和強化傳熱機理進行了綜合分析。他們認為,納米流體在本質上是多組分流體,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流體間無滑移,它們處于熱力平衡狀態;二是納米粒子與基礎流體間存在滑移,且處于熱力平衡狀態,由于納米流體的復雜性,要建立嚴格意義上的傳熱理論模型十分困難。在強化傳熱機理分析上,一般認為納米流體熱導率的提高是強化傳熱的主要因素,同時納米粒子的布朗運動也對納米流體的傳熱強化起重要影響。總體來看,納米流體的傳熱強化除與納米流體的有效熱導率有關外,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。納米流體的傳熱強化程度隨雷諾數的變化因管徑而異,并且與流態有關。采用管內插入物能進一步提高納米流體的對流傳熱系數。1.2納米流體的池麻黃傳熱性能可能會發生在球底近年來,納米流體的沸騰傳熱強化研究也十分活躍。其中,研究最多的是池沸騰傳熱強化。然而,不同的研究者得出了不同甚至完全相反的研究結果。Taylor等對納米流體的池沸騰傳熱研究進行了系統全面的綜述。從中可以看出,許多學者的研究表明納米流體的核態沸騰傳熱系數可提高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,也有許多學者的研究表明,納米流體的池沸騰傳熱系數下降了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;還有些學者的研究工作表明,對于相同的納米流體,在同一實驗過程中,某些條件下強化了沸騰傳熱,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行了綜述,他們探討的重點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化或惡化沸騰傳熱的原因。目前,關于納米流體的流動沸騰傳熱強化研究遠比池沸騰傳熱研究要少得多,但從相關研究工作來看,納米流體能顯著地強化流動沸騰傳熱。Ahn等通過對傳熱壁面的掃描電鏡分析認為,納米流體強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,相變材料在殼體內發生固液或固固相變,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,相變膠囊粒子的外殼為高分子材料構成,通過聚合反應將相變材料(芯材)包裹在膠囊殼體內。許多學者已對微膠囊粒子潛熱型熱流體的傳熱性能進行了實驗研究和理論分析,結果表明,潛熱型熱流體能明顯地強化流體的對流傳熱。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域新的研究熱點。劉碩等對納米膠囊相變粒子的制備方法進行了評述。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行了實驗與數值研究,建立了有效熱導率和比熱容的數學模型。納米膠囊直徑為100nm,相變材料是石蠟,相變溫度為30℃,傳熱流體采用不導電油。實驗結果表明,當納米膠囊質量分數為30%時,潛熱型熱流體的努塞爾特數是基礎流體的1.2~1.5倍,壓降為9kPa,且努塞爾特數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,當納米膠囊質量分數為10%時,潛熱型熱流體的最大傳熱系數比水提高了75%。從現有研究工作來看,納米膠囊潛熱型熱流體能顯著地強化單相對流傳熱,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、芯材包裹率高且結構穩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化3.1納米粒子涂層的制備方法傳熱表面結構與特性是影響沸騰傳熱的重要因素,傳統的方法是采用機械加工手段在傳熱表面加工出多孔結構以提供汽化核心來強化沸騰傳熱。隨著納米涂層制備方法的進步,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行了綜述。而從現有強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“化學氣相沉積”、“納米流體核態沸騰沉積”、“微反應輔助納米材料沉積”等。其中,“納米流體核態沸騰沉積”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,當水的接觸角接近0°或90°時,具有最高的沸騰傳熱系數。Kwark等也采用“納米流體核態沸騰沉積”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獲得了具有不同厚度和結構的納米涂層,并實驗研究了蒸餾水在不同納米涂層表面的池沸騰傳熱性能。結果表明,所有的納米涂層都能明顯強化水的沸騰傳熱,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。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行了實驗研究。Ahn等采用“化學氣相沉積”法將多壁碳納米管沉積在硅基材表面,并實驗研究了PF5060在納米涂層表面的池沸騰傳熱性能。結果表明,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,并以水為實驗介質進行了池沸騰傳熱研究。結果表明,當納米ZnO沉積在鋁基材表面時,沸騰傳熱的臨界熱流密度達到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比膜狀冷凝傳熱系數要高得多,但在普通的傳熱表面實現滴狀冷凝傳熱十分困難。要實現滴狀冷凝,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,進而實現滴狀冷凝傳熱。Ojha等分別采用“等離子體強化化學氣相沉積”法和“掠射角沉積”法,在硅基材表面沉積具有不同形貌結構的SiO2納米涂層,通過測量表面接觸角來表征潤濕特性。結果表明,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化滴狀冷凝傳熱。Lan等則實驗研究了表面自由能和納米結構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構,再在鏡面和納米結構銅基材表面自組裝十八烷基硫醇涂層。實驗結果表明,