CN107142086A - 一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法 - Google Patents

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全晓军
王东民
郑平
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Abstract

本发明公开了一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法，包括：步骤一、将亲水的纳米颗粒表面进行疏水性修饰，使纳米颗粒表面的亲水性降低；步骤二、将步骤一中得到的表面改性的纳米颗粒制备成纳米流体，将所述纳米流体用于核态沸腾换热。与现有技术相比，本发明的方法进一步增强了纳米流体的核态沸腾换热效果。

Description

一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法
技术领域
本发明涉及一种增强核态沸腾换热的方法，尤其涉及一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法。
背景技术
纳米颗粒为粒径在1-100nm内的固体颗粒，将纳米颗粒分散在基本液体(如：纯水、制冷剂等)中后，得到的流体为纳米流体。前人发现分散在液体中的纳米颗粒可以有效增强原始液体的热导率和单相强制对流换热系数。但纳米流体在核态沸腾换热的情况下，与基本液体的核态沸腾换热系数相比，人们发现有些纳米流体增强了核态沸腾换热系数，有些纳米流体反而弱化了核态沸腾换热系数，有些纳米流体甚至对核态沸腾换热系数不产生任何影响。有文献提出纳米颗粒的粒径和加热表面的粗糙度的相对大小决定了纳米流体是否能增强核态沸腾换热系数；也有文献提出核态沸腾过程中，纳米流体内的纳米颗粒过度沉积在加热面上，增加加热面上的导热热阻，使纳米流体的核态沸腾换热系数恶化。但也存在不少纳米流体沸腾换热实验效果和以上理论矛盾。目前缺乏一种明确的方法来增强纳米流体的核态沸腾换热效果，以指导纳米流体沸腾换热的实际工程应用。
目前利用纳米流体增强核态沸腾换热的方案有：
1、制备稳定的纳米流体，即：纳米颗粒在沸腾中不易沉积到加热表面上，减少由纳米颗粒沉积带来的加热面上导热热阻的增加。2、采用特定粒径的纳米颗粒，使纳米颗粒的粒径大于加热表面的粗糙度，使纳米颗粒沉积到加热面上后增大加热面粗糙度。3、采用特定浓度的纳米流体，以减少纳米颗粒在加热面上的沉积。
然而，目前稳定的纳米流体虽然可以通过商业途径购买，制备稳定的纳米流体技术也已趋近完善，但在当前纳米流体制备技术的基础上进一步提高纳米流体的稳定性比较难。
另外，通过特定粒径的纳米颗粒来增强核态沸腾换热的方式实现起来的条件比较苛刻。首先，要保证纳米颗粒的粒径大于加热表面的粗糙度，但通常同一纳米流体中的纳米颗粒粒径值总是在一定范围内的而不是单一的粒径，加热面上不同位置处的粗糙度也不尽相同。所以要满足这一条件对纳米流体的制备技术要求、加热面的加工处理工艺都有较高要求。再者，纳米颗粒的粒径又不能太大，如果太大，纳米颗粒容易在沸腾过程中沉积到加热面上，增大加热面上的导热热阻，这反而会恶化核态沸腾换热。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种有效的进一步增强纳米流体的核态沸腾换热效果的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法，该方法通过改变纳米流体中纳米颗粒表面的接触角，以进一步增强纳米流体的核态沸腾换热效果。
本发明的增强纳米流体核态沸腾换热的方法包括：
步骤一、将亲水的纳米颗粒表面进行疏水性修饰，使纳米颗粒表面的亲水性降低；
步骤二、将步骤一中得到的表面亲水性降低(即疏水性增加)的纳米颗粒制备成纳米流体，将所述纳米流体用于核态沸腾换热。
进一步地，步骤一中所采用的纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒，但不限于二氧化硅纳米颗粒，任何亲水的纳米颗粒均可以。
进一步地，所述步骤一中，采用官能化硅烷对所述纳米颗粒进行表面改性。但不限于官能化硅烷，任何可以使上述纳米颗粒表面亲水性降低的官能团均可以。
进一步地，能够使所述纳米颗粒表面改性的官能团为聚乙二醇基团，但不限于聚乙二醇基团。
进一步地，表面改性后的所述纳米颗粒的接触角为30°～40°。
进一步地，将步骤一中得到的表面亲水性降低的纳米颗粒直接分散在去离子水中得到所述纳米流体。
进一步地，所述纳米流体的质量分数为0.04％。
进一步地，步骤一中所采用的纳米颗粒的平均粒径为25nm。
本发明的方法能增强沸腾换热效果的原理包括以下方面：
(i)进行一定程度的疏水化修饰的纳米颗粒，其表面亲水性降低，具备吸附在气液界面上的能力。因此在沸腾换热过程中，这种修饰过的纳米颗粒将吸附在气泡界面上，进而阻止沸腾蒸汽泡的合并。气泡合并的抑制有利于提供沸腾换热系数。
(ii)吸附在气泡界面上的这种纳米颗粒会导致沉积在加热面上的纳米颗粒沉积层提高加热面的粗糙度。加热面的粗糙度增大，可以有效增加沸腾换热系数。
现有技术主要从纳米流体的稳定性、纳米颗粒的粒径和纳米颗粒在纳米流体中的浓度进行考虑，与现有技术不同的是，本发明首次提出了通过表面修饰后，表面亲水性降低的纳米颗粒来增强纳米流体核态沸腾换热效果。与现有技术相比，本发明的方法具有更好的增强纳米流体的核态沸腾换热效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的纳米颗粒的合成及疏水性修饰的示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的亲水性纳米颗粒和表面亲水性降低的纳米颗粒在稳定状态下的分布位置和气体-液体界面的相对位置；
图3是本发明的一个较佳实施例实施纳米流体沸腾换热的实验装置示意图；图中，1：恒温水浴槽；2、光源；3、恒温油浴槽；4、沸腾池；5、保温层；6、加热棒；7、电脑；8、高速摄像机；9、数据采集仪；10、电源；
图4显示了本发明的一个较佳实施例的纳米流体沸腾换热实验结果。
具体实施方式
本发明的一个较佳实施例提供了一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法，包括：
步骤一、将亲水的纳米颗粒表面进行疏水性修饰，使纳米颗粒表面亲水性降低；
步骤二、将步骤一中得到的表面亲水性降低的纳米颗粒制备成纳米流体，将所述纳米流体用于核态沸腾换热，
其中，作为举例说明，本实施例的步骤一中所采用的纳米颗粒为通过Stober法合成得到的二氧化硅纳米颗粒。在其它实施例中也可用其它纳米颗粒。该二氧化硅纳米颗粒的平均粒径为25nm。采用(但不限于)官能化硅烷对该二氧化硅纳米颗粒进行表面改性，依据硅烷官能基团亲水性的不同，从而改变二氧化硅纳米颗粒的接触角的大小，如图1所示。通过改性后的二氧化硅纳米颗粒的接触角为30°～40°。
本实施例采用聚乙二醇基团修饰二氧化硅纳米颗粒，使二氧化硅纳米颗粒表面亲水性降低，并直接将修饰后的二氧化硅纳米颗粒分散在去离子水中得到用于核态沸腾换热的纳米流体，该纳米流体的质量分数为0.04％。
本实施例的方法能增强沸腾换热效果的原理包括以下方面：
(i)进行一定程度的疏水化修饰的纳米颗粒，其表面亲水性降低，具备吸附在气液界面上的能力。因此在沸腾换热过程中，这种修饰过的纳米颗粒将吸附在气泡界面上(如图2所示)，进而阻止沸腾蒸汽泡的合并。气泡合并的抑制有利于提供沸腾换热系数。
(ii)吸附在气泡界面上的这种纳米颗粒会导致沉积在加热面上的纳米颗粒沉积层提高加热面的粗糙度。加热面的粗糙度增大，可以有效增加沸腾换热系数。
图3显示了本实施例实施纳米流体沸腾换热的实验装置，将上述得到的纳米流体加入沸腾池4中，逐步升高加热电压，给加热面提供热量，沸腾的纳米流体将把热量从加热面上以汽化潜热的方式带走。实验结果表明(参见图4)，在同一加热电压下，采用该种纳米流体的沸腾换热能从加热面上带走热量比采用去离子水从加热面上带走的热量要多，也比纳米颗粒表面未做疏水性修饰的纳米流体沸腾换热从加热面上带走的热量要多。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。比如，在实际实施过程中，纳米颗粒材料、纳米颗粒的制备方法、纳米颗粒表面修饰的方式、用来分散纳米颗粒的液体和用来换热的装置都可能发生改变或被替换。但以上形式的改变都不会从根本上改变本发明的方法即：利用表面亲水性降低(疏水性增强)的纳米颗粒来增强纳米流体核态沸腾换热效果。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种增强纳米流体核态沸腾换热的方法，其特征在于，包括：
步骤一、将亲水的纳米颗粒表面进行疏水性修饰，使纳米颗粒表面的亲水性降低；
步骤二、将步骤一中得到的表面改性的纳米颗粒制备成纳米流体，将所述纳米流体用于核态沸腾换热。
2.根据权利要求1所述的增强纳米流体核态沸腾换热的方法，其特征在于，表面改性后的所述纳米颗粒的接触角为30°～40°。
3.根据权利要求1所述的增强纳米流体核态沸腾换热的方法，其特征在于，将步骤一中得到的表面亲水性降低的纳米颗粒直接分散在去离子水中得到所述纳米流体。
4.根据权利要求1所述的增强纳米流体核态沸腾换热的方法，其特征在于，所述纳米流体的质量分数为0.04％。
5.根据权利要求1所述的增强纳米流体核态沸腾换热的方法，其特征在于，步骤一中所采用的纳米颗粒的平均粒径为25nm。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101768426A (zh) * 2010-01-18 2010-07-07 上海交通大学 表面改性纳米颗粒的制备方法

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杨雪飞: "改性纳米流体的相变换热特性及其在重力热管中的应用", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 *
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