碳纳米流体相变特性实验研究

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纳米流体对流换热的实验研究

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第２３卷第６期２０年１０２１月
工
程
热
物
理
学
报
Ｖｏ１２３．ＮＯ．．６
ＮＯ，２０ＥＲＩＧＨＥＲＭＯＰＨＹＳＩＳＮＴＣ
纳米流体对流换热的实验研究
李强宣益民
（南京理Ｔ大学动力工程学院，江苏南京２０９）１０４
摘要建了测量纳米流体对流换热系数的实验系统，测量了不同粒子体积份额的水一Ｃｕ纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数，实验结果表明，在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对流换热系数，粒子的体积份额是影响纳米流体对流换热系数的因素之一。综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素，提出了计算纳米流体对流换热系数的关
ｈｅｔｔａｆｒｆａｕｒｆｔｎｆｕｄｉｃｅｅｔｈｏｕｅｆａｔｏｎｏｒｉｌｓａｒｎｓｅｅｔｅｏｈｅｎａｏｉｎｒａｓｗｉｈｔｅｖｌｍｒｃｉｎｏｆｎａｐａｔｃｅ．Ｃｏｓｄｅｉｇｌｓｎｉｒｎ
ＨＥ觚 ’ＴＲＡＮＳＦＥＲＦＡＮｏＦＬＵＩＳｏＮＤ
ＬａｇＸＵｉｎＩＱｉｎＡＮＹ — Ｍｉ
（ｃｏｌｆＰｗｅｇｎｅｉｇＮａｊｎｉｅｓｔｆＳｉｎｅ＆Ｔｃｎｌｇ，Ｎａｊｇ２０９，ｉ）ＳｈｏｏｒＥｎ２ｅｒｎ，ｎｉｇＵｎｖｒｉｏｃｅｃｏｙｅｈｏｏｙｎｉ１０４Ｃｈｎａｎ

纳米流体增强太阳能集热器换热性能研究

质的集热器导热系数明显大于蒸馏水为工质的集热器，纳米流体质量分数增加，导热系数随之增加。
以上研究表明，与纯液体相比，纳米流体导热系数高，换热系数好，对光的吸收性能优异，可以作为太阳能集热器的集热工质。因此，本文在原有试验和研究的基础上，采用数值模拟的方法讨论 CNT 或 CeO2 纳米粒子作为传热工质时，间接吸收式太阳能真空管集热器的吸热性能。利用 ICEM CFD 软件建立太阳能真空管模型并进行网格划分，采用 Fluent 软件进行求解，并通过后处理模块获取温度场分布，研究质量分数、纳米粒子粒径、种类，和入口流速等运行参数对太阳能管换热性能的影响。
果的准确性。相关的计算公式如下：
纳米流体中颗粒的体积分数计算公式为：
Φv
=
ρ f Φm
ρ f Φm + ρ p (1− Φm )
(1)
式中，Φv 表示纳米流体中颗粒的体积分
数；Φm 表示纳米流体中颗粒的质量分数；ρ
为密度；下标 f 和 p 分别代表基液和纳米粒子。
纳米流体密度理论计算公式：
(2) 式中，Vf 为基液的体积；Vp 为纳米粒子的体积。比定压热容采用 PUTR A[14] 的计算公式：
1995 年，Choi 首次提出了纳米流体的概念 [2]，纳米流体是指将纳米粒子按照一定的方法和比例添加到液体中形成的悬浮液，纳米流体是液 - 固两相悬浮液，悬浮于液体中的纳米粒子会发生随机的布朗运动，促进悬浮液内部的微扰动，所以纳米流体导热特性优于传统工质 [3-4]。经过这些年的不断发展，纳米流体在内燃机的散热，喷雾冷却工质，石油采收等强化换热领域中有广泛应用 [5-7]，同
4183
0.659
值，计算时通常取 β=0.1；knf 为纳米流体导热系数；kp 和 kf 分别是固体粒子和液体的导热系数。

有机相变蓄冷材料中纳米石墨添加剂性能实验研究

伴随着我国经济的高速发展和城市化水平的不断提高，空调系统在现代建筑中的应用越来越普遍，空调耗能也随之剧增，
散性很差。因此，如何控制纳米粉体的团聚已成为纳米流体强化传热前期工作的首要问题。王珊珊ｃ等研究发现，９］超声分散法可以制备稳定的纳米石墨有机溶剂分散液，加入不同分散剂的纳米石墨分散液稳定性有很大区别。通过添加分散剂可以提高纳
了实验研究。
程中具有过冷和相分离的缺点，影响了其蓄冷能力。有机类相变蓄冷材料主要包括石蜡、肪酸、脂多元醇、高级烷烃等。其优点是固体状态成型性好，一般不容易出现过冷现象和相分离现象；缺点是导热系数小、其密度较小、单位体积的储热能力较小等 ¨ ，］导致其在蓄冷系统的应用中传热性能较差、蓄冷量利用率低，从而降低了系统的效能。针对有机相变材料的低导热系数，强化换热技术是必需的。目前，提高导热系数通常采
用率。目前，常用的相变蓄冷材料主要包括无机物和有机物两个大类，绝大多数无机物相变蓄冷材料具有腐蚀性，而且在相变过
因此，本文针对已研制的空调用有机相变蓄冷材料Ｄ川ｃ［导
热系数低、传热性能差的缺点，向其中添加纳米石墨，超声采用
分散法和添加分散剂制备纳米石墨的稳定分散体系，对分散剂的种类、纳米石墨的质量浓度、声时间和分散剂的浓度对纳米超石墨分散稳定性的影响及添加纳米石墨对导热性能的影响进行
Ｃ．Ｐ。
以及碳纤维［等来增强导热能力。虽然这些高导热系数的添加５物会强化蓄能系统的传热效率，由于其固体颗粒大、但密度高，使其在液态条件下的蓄冷介质中极易发生沉淀，从而导致无法

纳米流体地热循环换热实验研究

纳米流体地热循环换热实验研究代钊恺;杨现禹;解经宇;张健;侯继武;刘梦娟;蔡记华【期刊名称】《地质科技通报》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】提升换热介质的换热性能是高效开采地热资源的有效手段之一。

添加纳米级金属氧化物可有效提升流体的换热能力,而纳米颗粒种类、质量分数、粒径、分散剂质量分数等物性参数以及流速对纳米流体换热性能具有重要影响。

采用球形纳米CuO和Al_(2)O_(3)(粒径20~50 nm)作为换热介质,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为分散剂配制纳米流体,利用自主搭建的纳米流体基础换热实验装置进行室内换热实验,优选纳米流体参数。

此外,通过自主搭建循环流动换热实验装置,以湖北英山某水热型地热井中地热水作为热源,讨论了在现场实际热源边界条件下,流速对纳米流体和去离子水的换热性能影响规律。

结果表明:(1)CuO纳米流体换热性能优于Al_(2)O_(3)纳米流体;(2)纳米流体的换热性能与纳米颗粒质量分数呈负相关关系,CuO质量分数为1%时纳米流体升温效率最高,在150 s内温度可由25℃上升到79.2℃,同时间内比去离子水高4.1℃,同时,随着纳米颗粒质量分数的增加,纳米流体与热源界面的润湿性减小;(3)纳米流体换热性能随着纳米颗粒粒径增加呈现先增加后减小的趋势,在纳米颗粒粒径为40 nm时纳米流体换热性能最佳;(4)纳米流体的换热性能与分散剂质量分数呈负相关关系,当分散剂质量分数为1%时换热性能最佳;(5)层流状态下纳米流体的换热性能与流速呈负相关关系;在湍流状态下纳米颗粒运动状态逐渐剧烈,有利于纳米流体传热。

研究成果可为纳米流体应用于地热换热从而提升地热系统的换热效率提供依据,并为纳米流体参数以及流速参数的选择提供理论依据。

【总页数】11页(P48-58)【作者】代钊恺;杨现禹;解经宇;张健;侯继武;刘梦娟;蔡记华【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院;中国矿业大学资源与地球科学学院;中铁四院集团西南勘察设计有限公司【正文语种】中文【中图分类】P314.2【相关文献】1.纳米胶囊潜热型功能流体制备及强化沸腾换热的实验研究2.纳米流体换热特性实验研究3.微通道内复合纳米流体流动换热特性实验研究4.在磁场作用下Fe_3O_4/Water纳米流体湍流对流换热实验研究5.纳米流体在热管中的换热特性实验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

纳米流体水平管内沸腾流型的模拟研究

第２７卷第４期
２０１３年８月
江苏科技大学学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｏｉｌｉｎｇｌｏｆｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｈｅｎａｎｏｌｕｆｉｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｕｂｅ
ＮｉｅＹｕｈｏｎｇ，ＺｈｏｕＣｈａｎｇｊｉａｎｇ，ＹａｏＳｈｏｕｇｕａｎｇ，ＷａｎｇＧｏｎｇｌｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈａＵＤＦｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｌｕｆｉｄｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｓｏｕｒｃｅｔｅｌ￣ｌ，ｔｈｅＡｌ２０３一Ｈ２０ｎａｎｏｌｕｆｉｄｂｏｉｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｕｂｅ，ａｎｄｔｈｅｂｏｉｌｉｎｇｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｅｎａｎｏｌｕｆｉｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｕｂｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｂｒｂｏｉｌｉｎｇｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｉｐｅ，ｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓａｌｏｎｇｔｈｅｌｅｎｇｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｂｕｔｉｎｔｈｅｓａｍｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｎａｎｏｌｕｆｉｄｏｆａｉｒｃｏｎｔｅｎｔｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｐｕｒｅｗａｔｅｒｏｆａｉｒｃｏｎｔｅｎｔ，ｈｅｌｐｆｕｌｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｆｔｈｅｌｕｆｉｄ．ＦｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＡ１２０３一Ｈ２０ｎａｎｏｌｕｆｉｄｌｏｆｗｐａｔｔｅｒｎ，ｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｎａｎｏｌｕｆｉｄｔｕｂｅｂｏｉｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｎａｎｏｌｕｆｉｄｉｓｔｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｐｕｒｅｗａｔｅｒｌｏｆｗｐａｔｔｅｒｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＡ１２０３一Ｈ２０ｎａｎｏｌｆｕｉｄｍａｋｅｓｔｕｈｅｂｏｉｌｉｎｇｍｏｒｅｉｎｔｅｎｓｅａｎｄｅａｓｉｅｒ．Ｉｔｗｉｌｌｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｏｆｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔｌａｃｉｒｃｕｌａｒｔｕｂｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｌｕｆｉｄ；ｔｗｏ — ｐｈａｓｅｆｌｏｗ；ｔｕｂｅｂｏｉｌｉｎｇ；ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎ

碳纳米管材料导热性能的实验研究

华南理工大学硕ｆ：学位论文或（０，ｍ）时，手性角０＝００，管壁柱面上碳六元环的两个Ｃ．Ｃ键垂直于管中心轴，此类ＣＮＴ被称为“锯齿形ＣＮＴ”，因为此时碳原子在管子圆周上的分布呈锯齿状；当月≠ｍ≠０，００＜口＜３００时，ＣＮＴ的构型为螺旋型碳纳米管，螺旋型碳纳米管具有手性特征，所以被称为“手性ＣＮＴ”，如图１．１所示。

以（１１７ｍ）＝（５，５）的扶手椅管为例，其结构如图１．１ａ）所示，其周长Ｌ＝４７５ａ，直径ｄ，＝ｏ．６７８ｎｍ。

该管的直径，与Ｃ６０分子的直径（０．７１ｎｍ）很接近，所以在该管两端均可置一ｃ６０半球，此Ｃ６０半球的周长也呈扶手椅状，它是垂直于Ｃ６０分子的五次对称轴一部分得到的。

（１１，ｍ）＝（９，０）之字形纳米管的结构如图１－ｌｂ）所示，其周长Ｌ＝９ａ。

直径ｄｒ＝０．７０５ｎｍ。

在此管两端也可以罩上Ｃ６０半球。

此半球的边沿也呈之字形，它是垂直于Ｃ６０分子的三次对称轴平分得到。

图１—１ｃ）所示的是（１０，５）手性纳米管，其周长上＝√１７５Ⅱ，直径ｄｒ＝１．０３６ｎｍ，其两端可罩Ｃ…半球。

１．３．２双壁与多壁碳纳米管的结构模型由两层或两层以上的石墨片卷曲而成的管被称为ＤＷＣＮＴｓ或ＭＷＣＮＴｓ，如图１—３所示。

他们的层结构可能是同一ｆｉ，圆柱或是蛋卷状，还有可能是两者的混合性的结构。

ＤＷＣＮＴｓ与ＭＷＣＮＴｓ的结构比较复杂，不易确定。

图卜３双肇ＣＮＴＦｉｇ．１－３Ｄｏｕｂｌｅ—ｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅ１．４碳纳米管的制备方法自１９９１年Ｉｉｊｉｍａ发现ＣＮＴｓ以来，已有数十种合成ＣＮＴｓ的方法问世，也发现一些新的转化途径…。

这些方法方法丰要包括以下几种：１．电弧法１９９３年，Ｔｉｊｉｍａ教授与ＩＢＭ实验室的Ｂｅｔｈｕｎｅ教授改进了电弧法，他们在阳极置入催化荆金属，在放电室器壁中发现了单层碳纳米管１１０１。

４华南理工大学硕Ｅ学位论文系在小的温度区域呈线性，这就导致电阻也有频率为２。

相变微胶囊悬浮液传热性能的研究进展

相变微胶囊悬浮液传热性能的研究进展李晓燕;李凯娣;曲冬琦【摘要】相变微胶囊悬浮液作为一种潜热型功能流体,其独特的性能使其受到科研工作者的关注。

在回顾了现有相变微胶囊悬浮液传热性能的研究进展,对相变微胶囊悬浮液的导热性能、对流传热特性分别进行介绍。

讨论了悬浮液的体积浓度、雷诺数(Re)、斯蒂芬数(Ste)、努塞尔数(Nu)及无量纲过冷度等因素对相变微胶囊悬浮液换热能力的影响,以及相变微胶囊悬浮液管内换热特性。

本文针对相变微胶囊悬浮液中添加纳米粒子(纳米Al2 O3,纳米Fe,纳米TiO2)和磁性材料对其导热系数和强化传热的提升情况进行了讨论,并指出了目前研究存在的问题和今后研究的发展方向。

%As a new type of a latent functional thermalfluid,microencapsulated phase change material suspen-sion (MPCMS)has attracted much attention of researchers due to its unique properties.This paper reviews pre-vious studies and developments with regard to the heat transfer properties of a MPCMS.We analyzed the rela-tionship between several key parameters and heat transfer ability of MPCMS.These key parameters include the volume concentration of the suspension,the Reynolds number (Re),the Stefan number (Ste),the Nusselt number (Nu).We characterized both thermal conductivity and convection heat transfer,and we discuss how these properties can be significantly improved by adding nanoparticles (nano-Al2 O3 ,nano-Fe,nano-TiO2 )or magnetic materials.Furthermore,the key issues related to the heat transfer of MPCMS which needed to be solved in future were further pointed out.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2016(047)004【总页数】7页(P4033-4039)【关键词】相变微胶囊;传热性能;纳米材料;强化换热【作者】李晓燕;李凯娣;曲冬琦【作者单位】哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028;哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨150028;哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028【正文语种】中文【中图分类】TB34相变材料微胶囊悬浮液(microencasulated phase change materials suspension, MPCMS)是一种新型储热介质，由相变材料微胶囊(MPCM)颗粒和单相传热流体构成。

CNT的研究 (1)

合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。
分类碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs），多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在 0.6-2nm，多壁管最内层可达 0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为 2-100nm。碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上 n>=m。当 n=m 时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为 30o；当 n>m=0 时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为 0o；当 n>m≠0 时，将其称为手性碳纳米管。根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当 n-m=3k(k 为整数)时，碳纳米管为金属型；当 n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。按照外形的均匀性和整体形态，可分为：直管型，碳纳米管束，Y 型，蛇型等。制备常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。电弧放电法：电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到 4000 度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。激光烧蚀法：激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成 CNTs。

微槽道纳米流体饱和沸腾CHF特性研究

低温与超导第４ｌ卷第６期
制冷技术
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ
Ｃｒｙｏ．＆ＳｕｐｅｒｃｏｎｄＶ０１．４ｌＮｏ．６
微槽道纳米流体饱和沸腾ＣＨＦ特性研究
张瑞达，罗小平，王维
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｌｆｕｉｄｓｂｅｉｎｇｗａｔｅｒａｎｄｎａｎｏ—ｆｌｕｉｄｓｏｆｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ（０．２％．０．５％ａｎｄ
Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓａｔｕｒａｔｅｄｂｏｉｌｉｎｇｃｒｉｔｉｃａｌｈｅａｔｌｕｘｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎａｎｏ— — ｌｕｉｆｄｓｉｎｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ
ＺｈａｎｇＲｕｉｄａ，ＬｕｏＸｉａｏｐｉｎｇ，ＷａｎｇＷｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州５１０６４０）

纳米流体在传热增效中的应用前景分析

纳米流体在传热增效中的应用前景分析引言：传热是自然界中一种重要的现象，也是日常生活和工业生产中常见的现象。

传热过程的效率对于能源的利用和生产效率的提高至关重要。

为了增加传热效率，科学家们不断探索新的技术和材料。

纳米流体作为一种新型传热增效材料，其具有优异的导热性、热辐射性能和传质特性，被广泛应用于各个领域。

本文将对纳米流体在传热增效中的应用前景进行分析。

一、纳米流体的定义及特点纳米流体是由纳米颗粒悬浮在基础流体中形成的复合流体。

纳米颗粒的尺寸通常在1至100纳米之间，可以是金属、氧化物、碳纳米管等。

与传统基础流体相比，纳米流体具有以下独特特点：1. 高导热性能：纳米颗粒的高表面积-体积比使得纳米流体具有更高的导热性能。

2. 优良的热辐射特性：纳米颗粒在红外波段具有较高的热辐射率，使得纳米流体能够有效地辐射热能。

3. 减小热阻：纳米流体中的纳米颗粒能够填充流体中的微观空隙，减小热阻。

二、纳米流体在传热增效中的应用1. 热传导增强：纳米流体具有较高的导热性能，可以作为热导介质来增强传热效果。

在电子器件中，纳米流体可以被应用于散热系统，有效地提高设备的工作效率和寿命。

2. 光热转换：纳米流体中的纳米颗粒具有优异的热辐射特性，可以在太阳能电池、光伏发电等领域中作为吸收介质，提高能量转换效率。

3. 相变传热：纳米流体中的纳米颗粒可以实现相变传热的增效效果。

在制冷系统中，纳米流体可以提高制冷剂的传热效果，降低能源消耗。

4. 传质增强：纳米流体中的纳米颗粒可以增加流体的有效表面积，提供更多的传质界面，从而增强传质过程，提高传质效率。

三、纳米流体应用前景分析1. 电子器件领域：纳米流体在电子器件的散热系统中的应用前景十分广阔。

随着电子器件功率的增加和体积的减小，散热问题越发突出，纳米流体作为一种高效的散热介质，可有效提高设备的散热效果，保障设备运行的稳定性和寿命。

2. 新能源领域：纳米流体在太阳能电池、光伏发电和传统能源转化等领域的应用前景巨大。

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074102-1 第27卷第7期强激光与粒子束Vol.27,No.7

2015年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2015

碳纳米流体相变特性实验研究*王姣1,2, 杨波1,2, 刘军1,2, 蔡光明1,2(1.中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900)

摘要: 通过“两步法”制备分散均匀、稳定的单壁碳纳米管/水、多壁碳纳米管/水碳纳米流体,通过差示

扫描量热法(DSC)测试分析了碳纳米流体的凝固、熔化相变过程,实验结果表明在凝固相变过程中随着碳纳米

管质量分数的增加,碳纳米流体的起始凝固温度及凝固温度逐渐升高,单壁碳纳米流体的凝固温度显著提高,在熔化相变过程中,碳纳米流体的质量分数对于纳米流体的熔点无明显影响,但对于碳纳米流体的潜热影响较大,碳纳米流体的潜热随着质量分数的增加而明显减小。关键词: 碳纳米管; 纳米流体; 差示扫描量热法; 凝固; 熔化

中图分类号: TN248.4 文献标志码: A doi:10.11884/HPLPB201527.074102

随着固体激光器朝着长时间、更高功率的方向发展,其热交换系统的热负荷不断增大[1]

。针对固体激光器

短时工作、长时间待机的应用特点,美国Rini公司提出了采用相变蓄冷技术替代实时冷却热管理技术。利用相变材料的固-液相变储能装置能够实时吸收激光器工作周期内所产生的大量废热,而在随后的激光间歇期内将废热逐步排除,具有高储能比、高热流密度、低功耗、紧凑轻量的优点。相变蓄冷技术对于蓄冷介质的两个重要要求为无过冷和高导热系数,而大多数相变材料均存在导热系数很低或者过冷现象,导致相变蓄冷系统的系统能耗增加。基于固体导热系数远大于液体工质,通过在液体中加入金属、非金属氧化物等固体颗粒将强化液体工质的导热性能。美国Argonne国家实验室Choi等人于1995年提出“纳米流体”概念[2],即将一定量的纳米级(1~

100nm)金属或非金属氧化物颗粒通过一定方式添加到液体介质中,形成具有良好稳定性和换热能力的新型

传热传质工质。碳纳米管具有极高的导热系数(导热系数大于3000W/(m·K)),碳纳米流体作为强化传热

材料其导热系数已有较多的研究报道,而将其应用于相变蓄冷技术作为相变材料,其凝固、熔化相变特性等研究近年来也逐渐起步[3-7]。

本文将单壁碳纳米管、多壁碳纳米管两种不同管径的碳纳米管分散到水中制备出不同质量分数的碳纳米流体,使用差示扫描量热法(DSC)测试碳纳米流体凝固和熔化相变特性,对碳纳米管不同管径尺寸及质量分数

对碳纳米流体凝固及熔化相变特性的影响进行了分析讨论。1 碳纳米流体制备及DSC测试

1.1 碳纳米流体制备

实验使用碳纳米材料为中国科学院成都有机化学有限公司合成的超高纯单壁碳纳米管(TNST,管径0.9

~1.8nm,长度5~30μm)、多壁碳纳米管(TNM1,管径4~8nm,长度10~30μm),液体基质工质为去离子

水,分散剂为碳纳米管专用水分散剂(TNWDIS)。

采用“两步法”制备碳纳米流体[8]。操作步骤如下:(1)按照比例将一定量分散剂溶解于去离子水中;(2)按

照质量比加入一定质量碳纳米管材料,通过磁力搅拌,使得碳纳米管完全浸润分散于去离子水中;(3)超声振

荡,由于超声过程中分散液会发热、产生气泡,因此采用方式为超声5min后,将分散液静置于冷却水中冷却、消泡,再继续超声,累计超声总时间为30min。将制备好的碳纳米流体静置,观察分散程度。用玻璃棒沾取少

量分散液滴加至清水中,观察稀释状态。分散好的碳纳米管,犹如一滴墨水落入水中,在水中迅速扩散开,而未分散好的碳纳米管在水中会有黑色颗粒出现。

*收稿日期:2015-03-19; 修订日期:2015-05-28

基金项目:中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室基金项目(HEL2014-02-02)

作者简介:王姣

(

1982—),女,硕士,助理研究员,从事激光器热管理技术研究;wangjiao82417@163.com。

通信作者:杨波

(

1985—),男,硕士,助理研究员,从事激光器热管理技术研究;yutoubocai@163.com。074102-2

1.2 DSC测试仪器及测试条件

测试碳纳米流体的固液相变过程采用TA仪器的Q2000型差示扫描量热仪。碳纳米流体样品质量均为8

mg左右。试验程序设置为:吹扫气为高纯氮气,流量50mL/min;样品测试起始温度为15℃,恒温5min以

消除热历史影响;以5℃/min的速率降温至-50℃;恒温5min后以5℃/min速率升温至15℃。差示扫描

量热仪绘制出测试样品热流随时间的变化曲线。2 实验结果与分析

图1为不同质量分数水基单壁碳纳米(TNST/水)流体DSC降温及升温曲线图,图2为不同质量分数多壁碳纳米(TNM1/水)流体DSC降温及升温曲线图。从图1、图2可以看出,与去离子水相比,碳纳米流体的凝固时间均比去离子水的凝固时间提前,且随着碳纳米流体质量浓度的增加,凝固时间提前得越少。比较碳纳米流体的凝固相变过程与熔化相变过程,凝固相变过程的热流变化大,凝固放热峰尖锐,说明在凝固相变过程中开始凝固的瞬间释放出大量的热,凝固相变的时间较短。与凝固相变过程相比,碳纳米流体的熔化相变过程较为平缓,热流变化较小且熔化相变的时间比凝固相变的时间长;熔化相变过程中仅形成一个熔化峰,说明碳纳米流体在熔化相变过程中熔化从冰晶表面开始,没有晶核二次形成造成的熔化,且相变中流体的状态没有发生大的变化。

Fig.1 DSCcurvesofsingle-wallcarbonnanofluids(TNST)withdifferentmassfraction图1 不同质量分数单壁碳纳米流体DSC曲线图Fig.2 DSCcurvesofmulti-wallcarbonnanofluids(TNM1)withdifferentmassfraction图2 不同质量分数多壁碳纳米流体DSC曲线图2.1 碳纳米流体凝固相变过程分析

Fig.3 On-setsolidificationtemperatureandsolidificationtemperatureofcabonnanofluids图3 不同管径、质量分数碳纳米流体与去离子水相比的起始凝固温度、凝固温度的关系

图3为不同质量分数的单壁碳纳米流体(TNST/水)、多壁碳纳米流体(TNM1/水)与去离子水相比的起始

凝固点(Tc.o)、凝固温度(Tc

)的关系曲线图。从图中可以

看出,TNST/水纳米流体与TNM1/水纳米流体的起始凝

固温度基本一致,均高于水的起始凝固温度,且均随着碳纳米管质量分数的增加而提高。TNST/水纳米流体的凝

固温度高于TNM1/水纳米流体的凝固温度,远高于水的

凝固温度。TNST/水纳米流体与TNM1/水纳米流体的

起始凝固温度与凝固温度均随着碳纳米管质量浓度的增加而升高。水的凝固温度即冰点为0℃,通过差示扫描量热仪设

定一定的降温速率(5℃/min)对去离子水进行降温冷却

时,由于去离子水中缺少有助于凝固结晶的晶核,会产生过冷现象,本次试验中测试去离子水的起始凝固温度为-22.9℃,凝固温度为-16.7℃。在去离子水中加入

碳纳米管,由于碳纳米管的不均匀成核现象,碳纳米管在水凝固结晶过程中充当成核剂,与水分子结合,使得碳纳米流体较水的起始凝固温度提高。另一方面,由于在结晶过程中,较冷的传热表面被晶粒覆盖,而传热只能依靠传导,碳纳米管具有极高的导热系数,碳纳米流体在凝固结晶的过程中释放出的大量热能够通过碳纳米管

强激光与粒子束074102-3

传导及时释放,与外界进行热交换,从而使得碳纳米流体的凝固温度升高。相同质量分数的TNST/水纳米流体其凝固温度较TNM1/水纳米流体有较多提高,原因可能为:(1)单壁

碳纳米管TNST的管径小于多壁碳纳米管TNM1,相同质量的单壁碳纳米管比表面积(大于500m2

/g)大于

多壁碳纳米管的比表面积(大于380m2

/g),根据经典的成核理论,不均匀成核现象中晶核是在和液相接触的

固体界面上生成的,固体表面通过表面能的作用使得成核的势垒减少,比表面积增大有助于增强碳纳米管对水的吸附能力,增大晶核的形成概率,同时比表面积更大的单壁碳纳米管形成的碳纳米流体具有更大的基液与碳纳米管的固液界面面积,使得其热传递更快更有效,从而使得TNM1/水纳米流体能在较高的温度更快地成核

结晶完成凝固相变;(2)TNST/水纳米流体及TNM1/水纳米流体导热系数的测试结果也表明[8],相同质量分

数的TNST/水纳米流体的导热系数高于TNM1/水纳米流体,因此在碳纳米流体凝固结晶相变过程中,TNST/水纳米流体能更好地吸收外界能量,使得TNST/水纳米流体能在较TNM1/水纳米流体高的温度完成

凝固相变过程。随着碳纳米流体质量分数的增加,TNST/水纳米流体及TNM1/水纳米流体的起始凝固温度及凝固温度

均逐渐升高,这是因为质量分数的增加使得相同体积下的纳米颗粒的数目增多,比表面积增大。因此在碳纳米流体凝固相变的过程中,与外界进行换热的比表面积增大,传热更快,使得起始凝固温度及凝固温度更高。2.2 碳纳米流体熔化相变过程分析

Fig.4 Fusiontemperatureofcarbonnanofluids图4 不同管径、质量分数碳纳米流体与去离子水相比的熔化点的关系

图4为不同质量分数TNST/水纳米流体、TNM1/水纳米流体与去离子水相比的熔化温度(Tm

)关系图。

去离子水的融化温度为0.15℃,从图中可以看出,与去

离子水相比,TNST/水纳米流体与TNM1/水纳米流体

的熔化温度有所降低,但变化较小,且二者熔化温度极为接近,可以认为碳纳米管的加入对水的熔化温度几乎没有影响。同时随着碳纳米管质量分数的增加熔化温度逐渐减小,且变化较小,即碳纳米管的质量分数对碳纳米流体的熔化温度影响极小。这可能是TNST与TNM1结构相近,二者形成的碳纳米流体在凝固相变形成的冰晶具有相同的结构,因此随着碳纳米管质量分数的增加碳纳米流体的熔化温度变化趋势一致。碳纳米流体的熔化温度随碳纳米管质量分数的增加而减小,这可能是由于碳纳米管的加入使得基液去离子水的导热系数增大,且碳纳米管的质量分数越大形成的碳纳米流体的导热系数越大,在熔化过程中,碳纳米管质量分数越大的碳纳米流体具有更强的传热能力,在熔化过程中能吸收更多的外界热量,因此使得碳纳米流体在更低的温度熔化。2.3 碳纳米流体的相变潜热分析

表1为不同质量分数TNST/水纳米流体、TNM1/水纳米流体的相变潜热值。由DSC测试实验所用去离子水所得相变潜热为334.9kJ/kg,从表1数据可以看出,与去离子水相比,TNST/水纳米流体、TNM1/水纳