CN101392171A - 一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法，该流体包括软水或除盐水溶剂，Al2O3或CuO纳米级氧化物溶质。其中软水或除盐水溶剂pH＝8.5～9.5，Al2O3或CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，占溶剂体积百分数0.5％～1.0％。其制备方法是在软水或除盐水中加入体积百分数为2.0％～2.3％的pH调节药剂，改变软水pH值，同时提高高炉闭路冷却系统水泵总压力，形成稳定悬浮溶液，提高传热效果，减少20％～25％冷却水用量，降低冷却水消耗，解决了目前制备纳米流体方法不能在大型高炉上应用的问题。

Description

一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米流体及其制备方法，尤其是在高炉冷却系统中作为冷却介质的纳米流体及其制备方法。
背景技术
目前高炉冷却介质一般是纯净水、工业水、工业水通过药物处理形成软水或除盐水。由于纯净水成本太高，工业水冷却效果不好，目前高炉使用的冷却介质都是工业水加药物处理后形成的软水或除盐水。
随着高炉冶炼强度、煤比不断提高，炉内温度波动由50℃/min增大到150℃/min，在炉身下部、炉腰和炉腹区域热流强度平均在30～60kw/m2范围内，高时达到160kw/m2，炉况异常时最高达到240kw/m2。由于软水或除盐水导热系数低，为保证高炉寿命达到15～20年，满足热流强度要求，其工作参数必须达到以下指标：流速大于2m/s、冷却水流量大于3800m3/h、压力大于0.7MPa、使用强制换热器确保入口温度小于36℃。由此带来的是动力和新水消耗大，达到0.547m3/t，日消耗新水4376m3，水资源浪费大。
近年来，对纳米流体基础性研究和应用取得很大进展，纳米氧化物选择和纳米流体制备方法已经有应用事例。常用的纳米流体制备方法有两种，即“一步法”和“两步法”，一步法是利用物理气相方法，需要高真空、高温且密闭环境下，该方法制备速度漫，不适用于工业生产；两步法是把纳米粒子按一定体积百分数加到水或油溶液中，再加入一定比例分散剂、活性剂，并将混合液用超声振动获得纳米流体，当纳米粒子体积百分数为4％～5％，纳米流体导热系数可以提高60％，能够满足30kw/m2热流强度要求。目前使用分散剂、活性剂和超声振动方法制备纳米流体存在不足是制备量小，一般用作特殊散热装置的冷却介质，不适合大工业生产。
专利申请号200410098793.1发明使用旋转填充床反应器制备纳米流体，属于一步法，需要经过吸收、汽提和蒸馏分离过程，在工业应用中存在速度慢缺点。专利申请号02261796.5发明纳米封闭式自然循环传热装置，能够实现纳米与液体直接混合，该发明属于典型二步法，但需要添加分散剂、活性剂以及超声波震动制备纳米流体，该发明适用于小型特殊用途工业设备冷却介质，如作为油浸式电力变压器和其他设备的散热装置冷却剂。
发明内容
针对上述现有技术所存在的不足，本发明提供一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法，通过使用纳米流体作为高炉冷却介质，强化冷却介质导热能力，减少冷却水消耗，同时避免高炉出现大于160kw/m2极端热流强度时热量传导不及时问题；通过改变母液PH值和高压方法制备纳米流体，解决目前使用添加活性剂、分散剂和超声波震动方法不能在大型高炉上应用等问题。
本发明一种用于高炉冷却系统的纳米流体包括溶剂和溶质组成，溶剂为软水或除盐水母液，溶质为Al2O3或CuO纳米级氧化物。软水或除盐水母液PH＝8.5～9.5，Al2O3或CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为软水或除盐水母液体积百分数0.5％～1.0％。
本发明一种用于高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，步骤如下：
1)在原有高炉闭路冷却系统的基础上增加一个纳米流体制备容池，其大小根据需要而定。
2)将所需容量的软水或除盐水母液注入容池内，并且加入PH调节药剂，加入量是软水或除盐水母液体积百分数2.0％～2.3％。目的是除去水中阴离子，改变软水或除盐软水PH值，同时减弱加入Al2O3或CuO纳米级氧化物颗粒后颗粒表面活化能，减弱纳米颗粒布朗运动，防止纳米颗粒团聚。
3)向处理后的软水或除盐水母液中加入粒度在50～100nm范围内的Al2O3或CuO纳米氧化物，加入量是软水或除盐水母液体积百分数0.5％～1.0％。在1.0～2.0小时内，按等间距2～4点取样，在实验室内使用热线装置测试纳米流体的导热系数，保证导热系数在原水导热系数0.604W(m.K)-1基础上提高20％～25％。
4)控制高炉闭路冷却系统水泵总压力在0.9～1.1MPa范围内，对流体进行搅拌，保证纳米粒子混合均匀，保证纳米流体在铜冷却壁水管内流速达到1.6～2.0m/s，同时消除纳米粒子团聚现象，保证悬浮液内纳米颗粒不沉降，形成稳定的悬浮液。按等间距2～4点取样，在实验室内用电子显微镜，检测纳米流体是否有团聚现象。
本发明有以下特点和有益效果：
1)与目前常用软水或除盐水作为高炉冷却水相比较，在软水或除盐水中加入0.5％～1.0％(体积百分数)粒度为50～100nm的Al2O3或CuO纳米氧化物，形成稳定悬浮液。利用纳米材料粒度小(接近于水分子)不产生磨损或堵塞等不良现象，与水形成均匀混合的纳米流体，提高导热系数20％～25％，相应同比例减少软水或除盐水用量20％～25％，降低新水消耗0.15～0.19m3/t。
2)与目前所使用纳米流体制备方法相比较，本发明不使用亲水剂、分散剂和超声波震动方法，通过改变母液PH值和高压方法制备纳米流体，更适合作为高炉冷却介质这样大工业生产的应用。
具体实施方式
实施例一
纳米流体的制备方法：1)选用软水作为母液注入容池，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为体积百分数2.0％，母液PH＝8.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的Al2O3纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝0.9MPa。
制备的纳米流体包括：软水母液PH＝8.5，Al2O3纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为软水母液体积百分数0.5％。
实施例二
纳米流体的制备方法：1)选用软水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3％，母液PH＝9.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的Al2O3纳米氧化物，使用量为母液体积百分数1.0％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝1.1MPa。
制备的纳米流体包括：软水母液PH＝9.5，Al2O3纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为软水母液体积百分数1.0％。
实施例三
纳米流体的制备方法：1)选用软水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3％，母液PH＝9.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的CuO纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝0.9MPa。
制备的纳米流体包括：软水母液PH＝9.5，CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为软水母液体积百分数0.5％。
实施例四
纳米流体的制备方法：1)选用软水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3％，母液PH＝9.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的CuO纳米氧化物，使用量为母液体积百分数1.0％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝1.1MPa。
制备的纳米流体包括：软水母液PH＝9.5，CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为软水母液体积百分数1.0％。
实施例五
纳米流体的制备方法：1)选用除盐水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.0％，母液PH＝8.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的Al2O3纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝0.9MPa。
制备的纳米流体包括：除盐水母液PH＝8.5，Al2O3纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为除盐水母液体积百分数0.5％。
实施例六
纳米流体的制备方法：1)选用除盐水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3％，母液PH＝9.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的Al2O3纳米氧化物，使用量为母液体积百分数1.0％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝1.1MPa。
制备的纳米流体包括：除盐水母液PH＝9.5，Al2O3纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为除盐水母液体积百分数1.0％。
实施例七
纳米流体的制备方法：1)选用除盐水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3％，母液PH＝9.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的CuO纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝0.9MPa。
制备的纳米流体包括：除盐水母液PH＝9.5，CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为除盐水母液体积百分数0.5％。
实施例八
纳米流体的制备方法：1)选用除盐水作为母液，容量为40m3；2)加入PH调节药剂为十二烷基苯磺酸钠，加入量为母液体积百分数2.0％，母液PH＝8.5；3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50～100nm的CuO纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.7％；4)水泵工作压力选择，根据铜冷却壁结构参数(水管直径φ＝50mm)、纳米流体目标流速1.6～2.0m/s为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P＝1.1MPa。
制备的纳米流体包括：除盐水母液PH＝8.5，CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为除盐水母液体积百分数0.7％。

Claims (5)

1.一种用于高炉冷却系统的纳米流体，包括溶剂和溶质组成，其特征在于溶剂为软水或除盐水母液，溶质为Al2O3或CuO纳米级氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种用于高炉冷却系统的纳米流体，其特征在于软水或除盐水母液PH＝8.5～9.5，Al2O3或CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，加入量为软水或除盐水母液体积百分数0.5％～1.0％。
3.一种用于权利要求1所述的高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，其特征在于：1)在原有高炉闭路冷却系统的基础上增加一个纳米流体制备容池；2)将所需容量的软水或除盐水母液注入容池内，并且加入PH调节药剂，加入量是软水或除盐水母液体积百分数2.0％～2.3％；3)向处理后的软水或除盐水母液中加入粒度在50～100nm范围内的Al2O3或CuO纳米氧化物，加入量是软水或除盐水母液体积百分数0.5％～1.0％；4)控制高炉闭路冷却系统水泵总压力在0.9～1.1MPa范围内，对流体进行搅拌，消除纳米粒子团聚现象，形成稳定的悬浮液。
4.根据权利要求3所述的高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，其特征在于所述的PH调节药剂为三聚磷酸钠。
5.根据权利要求3所述的高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，其特征在于所述的PH调节药剂为十二烷基苯磺酸钠。
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CN105957956A (zh) * 2016-06-30 2016-09-21 上海第二工业大学 一种利用强化介质纳米流体降低热电器件冷端温度的系统
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