一种强化纳米悬浮液传热性能的方法
阅读说明：本技术 一种强化纳米悬浮液传热性能的方法 (Method for enhancing heat transfer performance of nano suspension ) 是由 贾莉斯 覃光军 陈颖 莫松平 李俊 王慧昌 钟凯 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于强化传热领域,公开了一种强化纳米悬浮液传热性能的方法。本发明为了解决纳米悬浮液由于分散稳定性不好,导致热物性能不稳定持久,使得纳米悬浮液传热性能减弱的技术问题。本发明根据纳米颗粒和纳米胶囊性质,合理调控表面活性剂种类和表面活性剂浓度,采用两步法制备得到分散均匀、热物性能优良的纳米悬浮液,将纳米悬浮液应用到管内流动传热,综合分析纳米悬浮液流动与传热特性,判断其强化传热的程度。本发明可应用到实验管道管径范围为0.5-2cm,雷诺数范围3000-10000。本发明方法扩宽了纳米悬浮液的应用范围,为纳米流体的实际应用提供基础。(The invention belongs to the field of enhanced heat transfer, and discloses a method for enhancing the heat transfer performance of a nano suspension. The invention aims to solve the technical problem that the heat transfer performance of the nano suspension is weakened due to unstable and lasting thermal property caused by poor dispersion stability of the nano suspension. According to the properties of the nano particles and the nano capsules, the types of the surfactants and the concentration of the surfactants are reasonably regulated and controlled, the nano suspension with uniform dispersion and excellent thermal property is prepared by adopting a two-step method, the nano suspension is applied to flow heat transfer in a pipe, the flow and heat transfer characteristics of the nano suspension are comprehensively analyzed, and the degree of heat transfer enhancement is judged. The invention can be applied to the pipe diameter range of an experimental pipeline of 0.5-2cm and the Reynolds number range of 3000-10000. The method of the invention widens the application range of the nano-suspension and provides a foundation for the practical application of the nano-fluid.)
技术领域
本发明属于强化传热领域，特别涉及一种强化纳米悬浮液传热性能的方法。
背景技术
能源作为人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开能源及其技术的使用，其发展是全世界、全人类共同关心的问题。随着现代社会的飞速发展，对能源的需求越来越大，所带来的能源问题也越来越突出。能源的利用必然会带来能源的损失，能源利用效率是指能源中具有的能量被有效利用的程度，是能源可持续发展的一个重要指标。在《2013全球能源工业效率研究》报告中，我国的能源利用效率排名第74位，能源利用效率大约为33％，相比于发达国家45％左右的能源利用率，落后明显，节能潜力巨大。另一方面，随着我国经济持续发展，我国能源消费量也持续上升。在能源利用的形式中，热能利用占有很大部分，热能利用普遍存在于社会的各个领域，提高热能在传输过程中的效率能显著提高各种能源的利用率，寻求高效的传热工质是提高换热效率，强化传热的重要途径。
随着科学技术的飞速进步，动力、化工、航空、电子、冶金等领域的热负荷日益增加，传统传热介质(水、油、醇)等由于其导热系数低等缺点，已经无法满足目前高散热密度的需求，所以在传统传热工质中加入纳米颗粒或纳米胶囊形成新型的纳米悬浮液来代替传统的传热工质。纳米颗粒悬浮液是一种复杂的固液两相混合物，纳米胶囊悬浮液是一种新型的潜热型功能流体，由于纳米颗粒具有高导热系数及纳米胶囊在相变过程中吸收或放出大量的潜热，纳米颗粒悬浮液和纳米胶囊悬浮液分别比传热工质拥有更高的导热系数和更大的比热容。纳米颗粒和纳米胶囊由于其纳米尺寸效应的存在可以在行为上更加接近液体分子并保证了工质的稳定性，且不会像微米或毫米级粒子产生通道磨损及堵塞等问题。在流动时纳米颗粒和纳米胶囊与周围的流体存在微对流效应，大大地增强了纳米悬浮液与管壁的换热效果，从而起到了强化传热的作用。
性质稳定的纳米悬浮液是进行各种研究及应用的基础。然而由于纳米颗粒和纳米胶囊比表面积大，表面能高，纳米颗粒和纳米胶囊在基液中容易自发团聚而下沉，使得纳米悬浮液在流动时热物性能极其不稳定，从而影响到纳米悬浮液的流动与传热特性，减弱了纳米悬浮液的强化传热作用。因此如何使得纳米颗粒和纳米胶囊在基液中均匀、稳定地分散，是非常关键且迫切需要解决的问题。添加表面活性剂是制备纳米悬浮液的一种分散方法，表面活性剂能够吸附在纳米颗粒表面，降低颗粒的表面能，在颗粒间形成有效空间位阻以提高排斥力，从而可以有效的提高纳米悬浮液的分散稳定性。表面活性剂的选择主要考虑表面活性剂的种类和表面活性剂的浓度，不同种类和浓度的表面活性剂对纳米悬浮液的分散稳定性作用程度不一样，使得纳米悬浮液热物性能存在差异，从而影响到纳米悬浮液的流动与传热性能，所以对分散剂的种类和浓度的调控极为重要。
发明内容
为了克服现有技术中存在的纳米悬浮液由于分散稳定性不好，导致热物性能不稳定持久，使得纳米悬浮液传热性能减弱的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种强化纳米悬浮液传热性能的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种强化纳米悬浮液传热性能的方法，包括以下步骤：在流动换热系统的管道中使用分散稳定的纳米悬浮液，所述分散稳定的纳米悬浮液包括纳米颗粒悬浮液或纳米胶囊悬浮液；
所述纳米颗粒悬浮液是将纳米颗粒和表面活性剂A添加到去离子水中分散而成；所述纳米颗粒的粒径为200nm，包括TiO2纳米颗粒、SiO2纳米颗粒或CuO纳米颗粒；当纳米颗粒为TiO2纳米颗粒，表面活性剂A为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)；当纳米颗粒为SiO2纳米颗粒，表面活性剂A为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；当纳米颗粒为CuO纳米颗粒，表面活性剂A为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)；
所述纳米胶囊悬浮液是将纳米胶囊和表面活性剂B添加到去离子水中分散而成；纳米胶囊为粒径200nm的三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊或聚氨酯相变纳米胶囊，表面活性剂B为十二烷基硫酸钠(SDS)。
所述纳米颗粒在纳米颗粒悬浮液中的质量浓度为0.5％-2％；所述表面活性剂A在纳米颗粒悬浮液中的质量浓度控制在0.1％-2％。
所述纳米胶囊在纳米胶囊悬浮液中的质量浓度为0.5％-2％；所述表面活性剂B在纳米胶囊悬浮液中的质量浓度控制在0.1％-2％。
所述纳米颗粒悬浮液具体按照以下步骤制备而成：将纳米颗粒和表面活性剂A一起加入去离子水中，置于恒温磁力搅拌器中，设置500rpm磁力搅拌转速进行磁力搅拌，磁力搅拌30分钟制成混合溶液；将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，得到分散稳定的纳米颗粒悬浮液。
所述纳米胶囊悬浮液具体按照以下步骤制备而成：将纳米胶囊和表面活性剂B一起加入去离子水中，置于恒温磁力搅拌器中，设置500rpm磁力搅拌转速进行磁力搅拌，磁力搅拌30分钟制成混合溶液；将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，得到分散稳定的纳米胶囊悬浮液。
所述流动换热系统的管道的管径范围为0.5-2cm，雷诺数范围为3000-10000。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用两步法制备悬浮稳定的纳米悬浮液，操作简单，成本低，非常适用于实际应用；
(2)本发明通过调控表面活性剂种类和浓度配制成的纳米悬浮液，粒径分布范围窄，分散稳定性好，热物性能稳定持久，使其能应用到流动传热中起到强化传热的作用，可以作为高效传热工质或冷却工质，应用到工业余废热回收系统、太阳能利用、制冷系统、电力电子及动力设备散热、热存储系统等热利用领域，能显著提高热交换设备的传热性能指标，降低热交换设备的成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了验证本发明所述强化纳米悬浮液传热性能的方法，实验分析纳米悬浮液的流动与传热特性，自行搭建了流动换热实验系统，实验管道长为1000mm，外径为16mm，内径为10mm。实验验证雷诺数范围为3000-10000。实验调控范围为：SiC、SiO2、CuO纳米颗粒分别添加十六烷基三甲基溴化铵CTAB、聚乙烯吡咯烷酮PVP或十二烷基苯磺酸钠SDBS表面活性剂配制成纳米悬浮液，三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊和聚氨酯相变纳米胶囊分别添加十二烷基硫酸钠SDS表面活性剂配制成纳米悬浮液，纳米颗粒和纳米胶囊质量浓度为0.5％-2％，表面活性剂质量浓度范围为0.1％-2％。在实验调控范围内，均可强化纳米悬浮液传热性能。
为了调控强化纳米悬浮液传热性能的程度，综合分析纳米悬浮液的流动与传热性能，提出综合评价因子F，F越大代表强化传热性能越好：
其中：Nunf为纳米悬浮液的平均努塞尔数，Nuw为水的平均努塞尔数，Nu越大表明传热性能越好；fnf为纳米悬浮液的摩擦阻力系数，fw为水的摩擦阻力系数，f越小表明流动性能越好。
实施例1：
(1)将5g十二烷基苯磺酸钠SDBS表面活性剂和15gCuO纳米颗粒加入到980g去离子水中，然后将该样品置于恒温磁力攒拌器中，设置500rpm磁力揽拌转速进行磁力揽拌，磁力揽拌30分钟制成混合溶液；
(2)将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，超声波频率为40kHz，即可得到十二烷基苯磺酸钠SDBS表面活性剂质量浓度为0.5％、CuO纳米颗粒质量浓度为1.5％的CuO纳米颗粒悬浮液。
(3)将配制好的CuO纳米悬浮液倒入实验系统，开启系统进行流动传热循环，调节流体流速，记录实验数据并综合分析纳米悬浮液流动传热特性。当雷诺数达到3070时，十二烷基苯磺酸钠SDBS表面活性剂质量浓度为0.5％、CuO纳米颗粒质量浓度为1.5％的CuO纳米颗粒悬浮液综合评价因子比水的综合评价因子增加了17.6％，这表明了十二烷基苯磺酸钠SDBS表面活性剂质量浓度为0.5％、CuO纳米颗粒质量浓度为1.5％的CuO纳米颗粒悬浮液流动传热性能比水的综合流动传热性能提高了17.6％，强化了纳米颗粒悬浮液传热。
实施例2：
(1)将10g聚乙烯吡咯烷酮PVP表面活性剂和10gSiO2纳米颗粒加入到980g去离子水中，然后将该样品置于恒温磁力攒拌器中，设置500rpm磁力揽拌转速进行磁力揽拌，磁力揽拌30分钟制成混合溶液；
(2)将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，超声波频率为40kHz，即可得到聚乙烯吡咯烷酮PVP表面活性剂质量浓度为1.0％、SiO2纳米颗粒质量浓度为1.0％的SiO2纳米颗粒悬浮液。
(3)将配制好的SiO2纳米悬浮液倒入实验系统，开启实验系统进行流动传热循环，调节流体流速，记录实验数据并综合分析纳米悬浮液流动传热特性。当雷诺数达到3045时，聚乙烯吡咯烷酮PVP表面活性剂质量浓度为1.0％、SiO2纳米颗粒质量浓度为1.0％的Sio2纳米颗粒悬浮液综合流动传热性能比水的综合流动传热性能提高了13.0％左右，强化了纳米颗粒悬浮液传热。
实施例3：
(1)将15g十六烷基三甲基溴化铵CTAB表面活性剂和20gSiC纳米颗粒加入到965g去离子水中，然后将该样品置于恒温磁力攒拌器中，设置500rpm磁力揽拌转速进行磁力揽拌，磁力揽拌30分钟制成混合溶液；
(2)将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，超声波频率为40kHz，即可得到十六烷基三甲基溴化铵CTAB表面活性剂质量浓度为1.0％、SiC纳米颗粒质量浓度为1.0％的SiC纳米颗粒悬浮液。
(3)将配制好的SiC纳米悬浮液倒入实验系统，开启实验系统进行流动传热循环，调节流体流速，记录实验数据并综合分析纳米悬浮液流动传热特性。当雷诺数达到3055时，十六烷基三甲基溴化铵CTAB表面活性剂质量浓度为1.5％、SiC纳米颗粒质量浓度为2.0％的SiC纳米颗粒悬浮液综合流动传热性能比水的综合流动传热性能提高了11.4％左右，强化了纳米颗粒悬浮液传热。
实施例4：
(1)将5g十二烷基硫酸钠SDS表面活性剂和15g三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊加入到980g去离子水中，然后将该样品置于恒温磁力攒拌器中，设置500rpm磁力揽拌转速进行磁力揽拌，磁力揽拌30分钟制成混合溶液；
(2)将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，超声波频率为40kHz，即可得到十二烷基硫酸钠SDS表面活性剂质量浓度为0.5％、三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊质量浓度为1.5％的三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊悬浮液。
(3)将配制好的三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊悬浮液倒入实验系统，开启实验系统进行流动传热循环，调节流体流速，记录实验数据并综合分析纳米悬浮液流动传热特性。当雷诺数达到3371时，十二烷基硫酸钠SDS表面活性剂质量浓度为0.5％、三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊质量浓度为1.5％的三聚氰胺甲醛树脂相变纳米胶囊悬浮液综合流动传热性能比水的综合流动传热性能提高了8.6％左右，强化了纳米颗粒悬浮液传热。
实施例5：
(1)将10gSDS表面活性剂和20g聚氨酯相变纳米胶囊加入到970g去离子水中，然后将该样品置于恒温磁力攒拌器中，设置500rpm磁力揽拌转速进行磁力揽拌，磁力揽拌30分钟制成混合溶液；
(2)将混合溶液放入超声波清洗仪中超声分散2小时，超声波频率为40kHz，即可得到十二烷基硫酸钠SDS表面活性剂质量浓度为1％、聚氨酯/正十八烷纳米胶囊质量浓度为2％的聚氨酯相变纳米胶囊悬浮液。
(3)将配制好的聚氨酯相变纳米胶囊悬浮液倒入实验系统，开启实验系统进行流动传热循环，调节流体流速，记录实验数据并综合分析纳米悬浮液流动传热特性。当雷诺数达到3060时，十二烷基硫酸钠SDS表面活性剂质量浓度为1.0％、聚氨酯相变纳米胶囊质量浓度为2％的聚氨酯相变纳米胶囊纳米悬浮液综合评价因子比水的综合评价因子提高了5.6％左右，强化了纳米颗粒悬浮液传热。
从上述实施例1-5可见，本发明强化纳米悬浮液传热性能的新方法通过调控表面活性剂种类和浓度配制成的纳米悬浮液，粒径分布范围窄，分散稳定性好，热物性能稳定持久，能解决纳米悬浮液由于分散稳定性不好，导致热物性能不稳定持久，使得纳米悬浮液传热性能减弱的问题，使其能应用到流动传热中起到强化传热的作用，扩宽了纳米悬浮液的应用范围，可以作为高效传热工质或冷却工质，应用到工业余废热回收系统、太阳能利用、制冷系统、电力电子及动力设备散热、热存储系统等热利用领域，能显著提高热交换设备的传热性能指标，降低热交换设备的成本。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。