CN100999656A

CN100999656A - 潜热型纳米流体传热工质及其制备方法

Info

Publication number: CN100999656A
Application number: CN 200610124367
Authority: CN
Inventors: 张正国; 方晓明; 方玉堂
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2007-07-18

Abstract

本发明公开了一种潜热型纳米流体传热工质及其制备方法。以体积比计，该工质由1－10％纳米胶囊相变粒子、89.4－98.7％液体工质和0.3－0.6％分散剂或表面活性剂组成。该方法是将体积比为1－10％的纳米胶囊相变粒子、89.4－98.7％的液体直接共混，然后添加0.3－0.6％的分散剂或表面活性剂，再进行超声振动，制得悬浮稳定的潜热型纳米流体传热冷却工质。本发明制备的工质在热交换过程中，液体的比热容显著增加，粘度变化较小，可有效提高热交换设备的传热性能及提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能、降低设备制造成本，减少换热工质总量，降低系统动力消耗。

Description

潜热型纳米流体传热工质及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于热交换系统的传热冷却工质及其制备方法，特别是一种潜热型纳米流体传热工质及其制备方法。

背景技术

随着能源供需矛盾的不断扩大，节能问题日益迫切。强化传热技术因能有效地提高热能的利用效率，已成为节能的关键技术。在热交换过程中，最常采用的强化传热技术是将光滑的传热面加工成粗糙面或翅片结构，以促进流体边界层的扰动或激发流体产生二次流，从而达到提高传热速率的目的。尽管强化传热技术已从第一代的光滑面发展到目前第三代的三维翅片或粗糙元，但相关研究工作也表明，这种改变传热面结构的手段在强化传热过程的同时，流体的压降也明显增大。此外，近年来随着航空航天技术、微电子技术和燃料电池的发展，又给传热领域提出了新的课题。因为在这些领域中，如微型换热器、微尺度散热器以及电子元件和燃料电池的冷却等，所涉及到的都是微通道内的传热问题。受加工技术和加工成本的限制，在微通道内加工翅片结构或粗糙元已非常困难。因此，必须开发传热性能好的换热工质来满足微尺度下强化传热的要求。

目前广泛应用的换热工质主要是水，为提高水的传热性能，一种方法是在水中添加微胶囊相变粒子，从而构成一种潜热型热流体。由于在传热过程中微胶囊粒子发生固-液相变，具有较大的相变潜热，这使得潜热型热流体的比热容比水明显提高，从而强化了水的对流传热。文献为：(1)、Yamagishi Y，TakeuchiH，Pyatenko A Y and et al.，Characteristics of microencapsulated PCM slurry as aheat transfer fluid，AIChE Journal，1999，45(4)：696-707；(2)、Charunyakorn P，Sengupta S and Roy S K.，Forced convection heat transfer microencapsulated phasechange material slurries，flow in circular ducts.International Journal of Heat andMass Transfer，1991，34(3)：819-833；(3)、Bai Fengwu and Lu Wenqiang，Enhancedheat transfer analysis of latent functionally thermal fluid，Heat Transfer-AsianResearch，2004，33(6)：383-392。现有潜热型热流体中添加的微胶囊相变粒径的粒径为微米量级。但实际使用过程中，发现存在如下方面的不足：(1)由于粒径较大，流体的粘度高，导致泵耗增加；(2)胶囊粒径较大，在泵送过程中因粒子与泵壁碰撞使胶囊压溃、破损的几率增加，使得流体的稳定性降低；(3)胶囊粒径较大，比表面积低，粒子间热传导几率降低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有潜热型热流体的不足，提供一种比热容大、粘度低且性能稳定的潜热型纳米流体传热工质。

本发明的另一目的在于提供上述纳米流体传热工质的制备方法。

本发明目的通过如下技术解决方案实现。

一种潜热型纳米流体传热工质，以体积百分比计，该潜热型纳米流体传热工质由如下组分构成：

(1)纳米胶囊相变粒子 1-10％

(2)液体工质 89.4-98.7％

(3)分散剂或表面活性剂 0.3-0.6％

所述纳米胶囊相变粒子材料的粒径小于或等于150纳米。

所述纳米胶囊粒子的囊壁材料为高分子聚合物，芯材为正构烷烃，其分子式为C_nH_2n+2，n的范围为16～31。

所述高分子聚合物包括：聚苯乙烯、聚脲、脲醛树脂或聚甲基丙烯酸甲(乙)酯。所述液体工质为水。

所述分散剂或表面活性剂为十二烷基硫酸钠或任基酚聚氧化乙烯醚。

潜热型纳米流体传热工质的制备方法：以体积百分比计，将1-10％的纳米胶囊相变粒子与89.4-98.7％液体工质直接混合，然后在其中加入0.3-0.6％的分散剂或表面活性剂，再进行超声振动，制得潜热型纳米流体传热工质。

本发明的原理是：

(1)、传热过程中纳米胶囊粒子发生固-液相变，其相变潜热较大，这使得潜热型纳米流体的比热容比水明显提高，从而强化了水的对流传热；

(2)、由于纳米胶囊粒子与粒子、粒子与水、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，破坏了流动层流底层，减少了传热阻力，增强了水的湍动，促进了传热。

本发明与现有潜热型热流体现比，其有益的效果是：

本发明添加纳米胶囊相变粒子的潜热型纳米流体，除具有潜热型热流体大的比热容外，因相变材料在尺度上从微米级变为纳米级，增大了表面积与体积的比率，从而提高了相变效率；胶囊粒径的减小，不易堵塞流道。此外，功能热流体的输送泵功率也将减少，并大大降低长时间运行时粒子之间的碰撞破坏可能性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不局限于实施例表示的范围。

本发明将一定比例的纳米胶囊相变粒子与水直接混合，然后在其中添加少量表面活性剂或分散剂，再进行超声振动，制备稳定的潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的粒径小于或等于150纳米，纳米胶囊的壁材为高分子聚合物，包括：聚苯乙烯、聚脲、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸甲(乙)酯；芯材为正构烷烃，其分子式为C_nH_2n+2，n的范围为16～31的整数。

实施例1

制备1vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为聚苯乙烯，芯材为C₁₆H₃₄。将体积份额配比为1％的纳米胶囊相变粒子与体积份98.7％的水相混合，选用十二烷基硫酸钠为分散剂，其添加量为0.3vol.％。超声振动8小时，频率为25KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加12.2％，粘度比水增加1.3％。

实施例2

制备5vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为聚苯乙烯，芯材为C₂₂H₄₆。将体积份额配比为5％的纳米胶囊相变粒子与体积份94.6％的水相混合，选用任基酚聚氧化乙烯醚为分散剂，其添加量为0.4vol.％。超声振动12小时，频率为20KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加65.6％，粘度比水增加4.8％。

实施例3

制备10vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为聚苯乙烯，芯材为C₃₁H₆₄。将体积份额配比为10％的纳米胶囊相变粒子与体积份89.4％的水相混合，选用任基酚聚氧化乙烯醚为分散剂，其添加量为0.6vol.％。超声振动15小时，频率为23KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加115.3％，粘度比水增加7.5％。

实施例4

制备1vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为脲醛树脂，芯材为C₁₈H₃₆。将体积份额配比为1％的纳米胶囊相变粒子与体积份98.7％的水相混合，选用十二烷基硫酸钠为分散剂，其添加量为0.3vol.％。超声振动8小时，频率为25KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加13.3％，粘度比水增加1.2％。

实施例5

制备5vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为脲醛树脂，芯材为C₂₆H₅₄。将体积份额配比为5％的纳米胶囊相变粒子与体积份94.6％的水相混合，选用任基酚聚氧化乙烯醚为分散剂，其添加量为0.4vol.％。超声振动12小时，频率为20KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加67.3％，粘度比水增加4.6％。

实施例6

制备10vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为脲醛树脂，芯材为C₃₀H₆₂。将体积份额配比为10％的纳米胶囊相变粒子与体积份89.4％的水相混合，选用十二烷基硫酸钠为分散剂，其添加量为0.6vol.％。超声振动15小时，频率为20KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加103.6％，粘度比水增加7.3％。

实施例7

制备1vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为聚甲基丙烯酸甲酯，芯材为C₂₀H₄₂。将体积份额配比为1％的纳米胶囊相变粒子与体积份98.7％的水相混合，选用十二烷基硫酸钠为分散剂，其添加量为0.3vol.％。超声振动8小时，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加13.7％，粘度比水增加1.4％。

实施例8

制备5vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为聚甲基丙烯酸甲酯，芯材为C₂₅H₅₂。将体积份额配比为5％的纳米胶囊相变粒子与体积份94.6％的水相混合，选用任基酚聚氧化乙烯醚为分散剂，其添加量为0.4vol.％。超声振动12小时，频率为25KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加67.5％，粘度比水增加4.9％。

实施例9

制备10vol.％纳米胶囊相变粒子-水潜热型纳米流体。纳米胶囊相变粒子的壁材为聚甲基丙烯酸甲酯，芯材为C₃₀H₆₂。将体积份额配比为10％的纳米胶囊相变粒子与体积份89.4％的水相混合，选用十二烷基硫酸钠为分散剂，其添加量为0.6vol.％。超声振动15小时，频率为20KHZ，形成的潜热型纳米流体的比热容比水增加104.7％，粘度比水增加8.1％。

如上所述即可较好实施本发明。

Claims

1、一种潜热型纳米流体传热工质，其特征在于，以体积百分比计，该潜热型纳米流体传热工质由如下组分构成：

(1)纳米胶囊相变粒子 1-10％

(2)液体工质 89.4-98.7％

(3)分散剂或表面活性剂 0.3-0.6％

所述纳米胶囊相变粒子材料的粒径小于或等于150纳米。

2、根据权利要求1所述的潜热型纳米流体传热工质，其特征在于所述纳米胶囊粒子的囊壁材料为高分子聚合物，芯材为正构烷烃，其分子式为C_nH_2n+2，n为16～31的整数。

3、根据权利要求2所述的潜热型纳米流体传热工质，其特征在于所述高分子聚合物包括：聚苯乙烯、聚脲、脲醛树脂或聚甲基丙烯酸甲(乙)酯。

4、根据权利要求1～3任意项所述的潜热型纳米流体传热工质，其特征在于所述液体工质为水。

5、根据权利要求1～3任意项所述的潜热型纳米流体传热工质，其特征在于所述分散剂或表面活性剂为十二烷基硫酸钠或任基酚聚氧化乙烯醚。

6、一种权利要求1所述的潜热型纳米流体传热工质的制备方法，其特征在于，以体积百分比计，将1-10％的纳米胶囊相变粒子与89.4-98.7％液体工质直接混合，然后在其中加入0.3-0.6％的分散剂或表面活性剂，再在频率为20～25KHZ条件下进行超声振动，制得潜热型纳米流体传热工质。