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氧化铝纳米流体的传热绩效评估及纳米颗粒在核态池沸腾中的表面沉积现象
Mihir Modi,Prasad Kangude,Atul Srivastava
摘要：在核池沸腾条件下，研究了浓度为0.005和0.01 vol%的Al2O3水纳米流体在两种不同过热度下的单泡形核沸腾现象。基于纳米流体的沸腾实验是在普通基质表面进行的，而水的沸腾实验是在普通纳米颗粒沉积的表面进行的。为了了解纳米颗粒的影响，利用非干涉彩虹纹影光学技术同时测量了气泡动态参数和相关的热梯度场。通过对水和纳米流体实验的直接比较，发现气泡动力学参数发生了显著的变化，如气泡直径和生长时间的减小、离开频率的增加以及纳米流体的等待时间等。热梯度场由于纳米颗粒的加入而在加热衬底附近的过热层中扩散。在后续的研究中，在基于纳米流体的沸腾实验中，以纳米颗粒沉积的形式实现了加热基底的表面改性。在长时间的沸腾实验中沉积在表面的纳米颗粒导致了表面的改变。所形成的纳米颗粒沉积表面用作加热面，用于水池沸腾实验。将这些实验结果与使用普通(光滑)加热基材的实验结果进行了比较。在纳米沉积表面的水与纳米流体在平面上的实验，气泡动态参数也呈现类似的趋势。热分配研究表明，纳米颗粒的存在降低了自然对流分量，增加了蒸发换热。对所观察到的趋势的似是而非的机制进行了调查和讨论。
关键词：核态池沸腾 纳米流体 纳米颗粒沉积表面 单泡动态传热速率
1.引言
由于传热在各个工程领域中普遍存在，因此它是一个重要的工程课题。随着技术的不断进步，需要有效的传热强化技术来保证热系统的高效和安全工作。在这方面，许多主动和被动的增强技术已被报道，取决于应用。它可用于高导热材料、扩展表面(翅片)、流体添加剂、射流冲击、流体振动应用等。主动增强技术体积庞大，成本相对较高，而被动增强技术结构紧凑，成本较低。鉴于此，被动技术在开放文献[1]中得到了广泛的探讨。最常用的被动增强技术之一是利用潜增强工作液的汽化热，俗称沸腾传热。这是一种有效的传热机制，因为相变现象的出现为给定的温度势提供了较大的传热速率。随着能源需求的急剧增长，技术的进步要求一种有效的传热方式。各种需要冷却高热流的工业领域，包括核电站、化学反应器、电子设备等，广泛地使用沸腾传热。核沸腾是人们感兴趣的领域，对它的研究为两相过程提供了基本的见解。
在涉及高热流的应用中，水、乙二醇和制冷剂等传统液体的沸腾性能被观察到是不够的。为了进一步提高这些流体在沸腾传热条件下的热性能，文献报道了许多可能的方法。其中一种方法是将纳米颗粒在常规的流体中进行显著增强纳米流体的导热性、表面润湿性等特性。这些流体是纳米颗粒在基底流体中形成的胶体悬浮液。纳米颗粒通常小于100纳米，由金属、氧化物、碳化物或碳纳米管组成。常见的基础液包括水、乙二醇和油。文献[2,3]报道了纳米颗粒的加入显著提高了基底流体的热导率。在沸腾现象的背景下，人们普遍认为纳米流体通过延迟CHF的发生来提高CHF的性能。这种延迟为核状沸腾换热(有效换热)的发生提供了更大的条件。然而，与此同时，也需要注意的是，对于纳米流体在HTC中修饰的性质并没有普遍的共识。
Hamda和Hamed[4]进行了Al2O3水-液池沸腾实验研究(0.05 wt%)。利用高速成像技术研究了气泡的离体直径、生长速率等动力学参数。在小加热区域的纯水中观察到一个活性成核位点，而在纳米流体中观察到多个活性成核位点。作者报告说，纳米流体产生的气泡比纯水更接近球形，体积也更小，而且气泡离开频率更高。Gerardi等人[5]对纳米流体池沸腾现象在硅(0.1% (V/V))和金刚石(0.01% (V/V))纳米颗粒上进行了红外测温研究。与水相比，有效沸腾换热系数降低，但CHF值较高。结果表明，纳米流体具有较低的气泡离开频率、较高的等待时间、较小的气泡离开直径和较高的生长速度。Kim等人用氧化铝、氧化锆和硅纳米颗粒的稀分散体在水中进行了池沸腾实验。在低浓度(小于0.1% (V/V))时，由于表面润湿性的改变，CHF的增强被观察到。结果表明，纳米流体具有较高的CHF值，但具有较低的形核沸腾传热系数(BHTC)。观察到的趋势是由于纳米颗粒在表面的沉积，从而产生了热阻，使热从加热器表面转移到流体。对纳米流体池沸腾后形成的多孔层进行了分析，并通过静态接触角的测量观察到表面润湿性的提高。
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