专利名称：固体和流体之间的传热方法及其热交换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体和流体之间的传热方法及其热交换系统。
背景技术：
热能的传输大致可以分为三种传输现象，即热辐射、热传导和对流传热。在工业应用中，热能的传输成为很大的主题，不仅用来节约能量，而且在当今全球环境范围中用于通过任何媒介利用显热和潜热传输或能量转换和传热到其它媒介中来提高热效率。
本发明的一个目的是提供一种全新的方法，该方法相对于传热现象中的对流传热(对流传热)具有特别高的效率和低成本。本发明的另一个目的是提供基于该新方法的热交换系统。
发明内容
为了实现上述目的，本发明涉及在固体(例如金属)和流体(例如水和空气)之间的传热方法，其特征在于用一组颗粒处理和流体接触的固体表面，该颗粒的直径等于或小于100nm(下文称为“纳米颗粒”)。
通常，以经验相关公式来提出和总结传热现象，其中，Re(Reynolds数)表示流体运动的动态特性，Pr(Prandtl数)表示工作流体的热特性，Nu(Nusselt数)表示工作流体和固体表面之间的传热，Gr(Grashof数)表示当工作流体是由于温度或密度差而引起的浮力驱动流动时的热流体特性。这些相关公式用来估计合适的热条件的传热效率。
但是，许多这些基于无量纲数的经验相关公式是通过基于边界层理论的流体的温度和速度分布来推导出的。根据本发明，用纳米颗粒组来处理接触流体的固体表面，由此在表面上形成具有多个纳米尺度的孔的多孔层。因此，在层流粘性底层内的传热机理得到很大的改善(在传统理论中，只作为在流体中的分子热传导来处理该底层)，最终提高了传热效率。
在对流传热中，当高温热源在固体侧时，本发明的方法可以用于使热从高温固体传到低温流体，相反地，当高温热源在流体侧时，本发明的方法也可以使热从高温流体传到低温固体。
因此实现本发明的合适的热交换系统的特征在于固体表面与流体接触。在热交换系统的固体表面上形成包含多个直径等于或小于100nm的孔的多孔层。
前述颗粒组可以是氧化铜(CuO)、碳(C)、氧化铝(Al2O3)等等。颗粒通常具有球形；但是颗粒形状并不仅限于此，例如，当为碳时该颗粒可以具有单层或多层的管形，当为碳纳米管时直径可以小于约100nm。
图1表示用于确定本发明的效果的实验装置的示意图。图2表示实例1的结果，其中使用前述装置来测量温度。图3表示从图2计算的传热系数的相对评价。图4表示实例2的结果，其中使用前述装置来测量温度。图5表示从图4计算的传热系数的相对评价。图6表示比较实例的结果，其中使用前述装置(已从该装置移去传热板)来测量温度。图7表示用于确定本发明的效果的另一实验装置的示意图。图8表示实例3的实验结果1，其中使用前述装置来测量温度。图9表示实验结果1的水温变化率。图10表示实例3的实验结果2，其中使用前述装置来测量温度。图11表示实验结果2的水温变化率。图12表示确定本发明的效果的另一实验装置的平面图。图13表示同一装置的正视图。
具体实施例方式
实例1[实验装置]图1表示用于确定通过本发明的方法产生的效果的实验装置的示意图。该实验装置主要包括柱形腔体1、冷却室2、温度控制器3、温度监测器4、用于工作流体的循环泵5、用于冷却水的循环泵6和冷却水箱7，且放置在25℃的房间内。
柱形腔体1包括由硬氯乙烯制成的柱体8，其内径为100mm，高度为100mm；由SUS304制成的盖板9，其以密封流体的方式固定在上端表面上；以及由SUS304制成的底板10，其以密封流体的方式固定在下端表面上。盖板9和底板10是盘形的，其厚度为10mm。盘形传热板11由铜制成且外径为99.5mm和厚度为1.5mm，该传热板11例如经过硅脂(由台湾Plowstar Co.，Ltd.制造的型号AK-100)(图中未示)用所示螺钉固定在盖板9的下表面。而且，板式加热器12的外径为100mm，热容量为80W，该板式加热器12经过硅脂(同上)安装在盖板9的上表面。各硅脂的厚度约是0.05mm，从板式加热器12到传热板11的距离是热传导区域(在固体内的热传输)。盖板9、传热板11和板式加热器12在中心都具有直径为10mm的通孔，管13以密封流体的方式插入，用于通气和在工作流体体积膨胀时的体积膨胀量、压力释放。柱体8的外周面和板式加热器12的上表面(除了中心)被绝热材料25覆盖。
两个由铂电阻制成的温度传感器14、15插入盖板9的内部，其中一个温度传感器14与温度控制器3连接，以便执行盖板9的PI自动控制以达到所需温度，另一个温度传感器15与温度监测器4连接，该温度监测器4用来监测盖板9内部的温度。在此，由铂电阻薄膜制成的厚度约0.9mm的温度传感器16安装在盖板9和传热板11之间的边界内，该温度传感器16与温度监测器4连接，用来监测传热板11的上表面温度。同时，五个温度传感器17至21沿垂直方向以相等间隔整体插入柱体8内；另一个温度传感器12埋入底板10的内部；以及另一个温度传感器23浸入冷却水箱7的水中，所有这些传感器都与温度监测器4连接。
另一方面，冷却室2布置在柱形腔体1的下面来支承该柱形腔体1，位于冷却室2上侧的由SUS304制成的基座24与底板10紧密接触。冷却室2的内径为100mm，且在实验过程的所有时间，冷却室的内部充满从冷却水箱7供给的温度为27.7℃的冷却水，该冷却水通过冷却水循环泵6来循环。此外，柱形腔体1处于充满自来水的状态，其中循环自来水，以便通过用于工作流体的循环泵5从上部吸入和从下部喷出自来水。
在上述实验装置中，控制板式加热器12用来将盖板9的温度调节到50℃，由此确定在40分钟后各部分的温度处于稳定状态。
接着，氧化铜CuO颗粒(由美国Nanophase Technologies Co.，Ltd.制造，通过基于BET方法的SSA(特定表面面积)的测量所确定的平均颗粒尺寸＝16至32nm，近似球形)和硝酸混合且制备成糊状，然后施加到传热板11的整个下表面上，干燥，然后用水冲洗。公认从氧化铜的纳米颗粒产生的薄层在下表面上形成，糊状物施加在该下表面上。当用扫描电子显微镜(此后用SEM来指代)来观察该层时，该层具有多个直径等于或小于100nm的孔。
又在上述实验装置中加入传热板11，从氧化铜纳米颗粒产生的多孔层在该传热板11上形成；打开板式加热器12以便盖板9的温度为50℃或45℃；在启动后各部分的温度每隔一分钟测量一次；以及当稳定状态(其中各部分的温度恒定)后又过了20分钟时实验结束。在此，为了比较，与在传热板11上形成多孔层之前的相同条件下测量温度。测量结果如图2所示。示图上的各温度是20次的测量值的平均值，水平轴代表温度传感器的位置，在水平轴上的数值代表离开底板10的距离。在图中，[铜板+CuO颗粒01]表示当采用传热板11(从氧化铜纳米颗粒产生的多孔层在传热板11上形成)，将盖板9的特定温度设为50℃时的数据，以及[铜板+CuO颗粒02]表示当在相同条件下为确认再现性而重复测量时得到的数据。而且，[铜板+CuO颗粒03]表示当特定温度设为45℃时的数据。而且，[仅铜板01]、[仅铜板02]和[仅铜板03]表示通过在如上所述的相同条件下测量所得到的数据，除了仅使用了硝酸而不是氧化铜纳米颗粒和硝酸的混合物。
首先，因为[仅铜板01]和[仅铜板02]的数据几乎相互重叠，所以认为本发明的方法具有可重复性。要注意根据由于具有或没有纳米颗粒而导致的水温的明显差别，可以确定从传热板到位于[80mm]至[20mm]处的水的传热。另一方面，可以假定从位于柱形腔体的下层[20mm]中的水到底板的传热在整个实验(包括冷却水)中是相同的条件，因此底板自然地具有对应于水温的温度。
上述数据基于各部分的温度是稳定时的状态。而且，从该数据中可以理解，在柱形腔体中的流体温度代表盖板9的上表面温度和底板10的下表面温度的平均温度，因此表示从柱形腔体没有热损失，由于在柱形腔体的中部区域中的流体区域是等温的，在流体区域中形成了绝热区域。因此，经过柱形腔体(直径100mm)的上表面的热流在柱形腔体的上部流体区域经历了与中部流体区域的对流传热，没有热损失地通过中部流体区域传输，在下部流体区域经历了与底板的对流传热。此时，可以说经过上部和下部流体区域的热流的量级是一样的。通过该实验，可以清楚存在一种传热机制。
假定传热板的温度、柱形腔体中的水温和底板的温度分别是TC、TwM和TB，从面积为S的传热板到水的热流量和传热系数是qupper和αCuTop，从下部水区域到底板的热流量和传热系数是qlower和αbottom，下列公式成立用于各组参数qupper*S＝αCuTop*(TC-TwM)*Sqlower*S＝αbottom*(TwM-TB)*S因为热流是相同的在如上所述的稳定状态下qupper*S＝qlower*S，下列公式成立αCuTop/αbottom＝(TwM-TB)/(TC-TwM)图3表示基于图2的各实验例子的αCuTop/αbottom的值。在泵5的旋转数为恒定的条件下，流动条件可以认为是相同的，因此从下部水区域到底板的传热系数αbottom可以认为是不变的。因此αCuTop/αbottom的值实际上可以认为表示了αCuTop的特征，即从上部水区域的传热板的传热系数的相对增长率。
从图3可以理解，即使盖的特定温度不同为50℃和45℃，αCuTop/αbottom的值没有不同。可以说，这一点结合认为数据具有可重复性的事实，证明了对传热系数的上述评价的推测的正确性。
足以令人惊讶的是，因为在传热板(铜板)表面上形成由少量氧化铜CuO纳米颗粒产生的多孔层，从铜到水的传热系数与单独传热板的特性比较增加了60％或更多。因此，从基于流体边界层理论的传热概念，不得不认为多孔层本身对温度边界层具有很大影响。而且，推测该影响在很大程度上不依赖于作为母体的金属或所使用的纳米颗粒的化学种类。
实例2在与实例1的[铜板+CuO颗粒01]中的相同条件下测量温度，除了用碳纳米管(直径20至30nm，长度5至10μm)代替氧化铜纳米颗粒来处理传热板11。温度测量结果如图4中[铜板+C管01]所示。在此，当用SEM观察传热板11的表面时，发现形成了具有多个孔(直径100nm)的层。同时，发现保持原始形状的少量碳纳米管粘附在该表面上。
在与实例1的[铜板+CuO颗粒01]中的相同条件下测量温度，除了用氧化铝AL2O3颗粒(由美国Nanophase Technologies Co.，Ltd.制造，平均颗粒尺寸为27至56nm，大致球形)代替氧化铜纳米颗粒层来处理传热板11。温度测量结果如图4中[铜板+AL2O3颗粒01]所示。在此，当用SEM观察传热板11的表面时，发现形成了具有多个孔(直径等于或小于100nm)的层。
在与实例1的[铜板+CuO颗粒01]或[仅铜板01]中的相同条件下测量温度，除了传热板11的材料从铜变成黄铜。温度测量结果在图4中分别如[黄铜板+CuO颗粒01]或[仅黄铜板01]所示。
在与实例1的[铜板+CuO颗粒01]或[仅铜板01]中的相同条件下测量温度，除了传热板11的材料从铜变成铝，并用苛性钠来处理氧化铝AL2O3颗粒。温度测量结果在图4中分别如[铝板+AL2O3颗粒01]或[仅铝板01]所示。
在此，[仅铜板01]和[仅铜板02]是图3中的数据的复制(为了比较)。
从图可以清楚地看出，可以确定实验水温的差别(由于具有或没有从纳米颗粒产生的多孔层)与传热板的材料和所使用的纳米颗粒的化学成分无关。铜传热板和碳纳米管[铜板+C管]的结果表现出相对低的水温，其原因看起来在于与其它纳米颗粒相比，碳纳米管在传热板上形成多孔层的可能性较小。在任何情况下，可以确定多孔层结构的可重复性，没有出现下述现象例如对于每个重复实验，结构程度降低或传热系数变差。
接下来，图5表示了当采用与实例1中相同的计算公式来计算传热系数时的结果。就这些数据系列而言，得到的结果是黄铜传热板和氧化铜纳米颗粒[黄铜板+CuO颗粒]的组合得到的值是最高的，即，传热系数是最好的。与单独的传热板相比较，该值表现出令人惊讶的改善(80％或更多)。
比较实例从实例1的实验装置中移去传热板11和温度传感器16。然后，在柱形腔体1的水中以0.01g/L的浓度加入前述的碳纳米管。即制成了下述结构含有碳纳米管的水与盖板9的下表面接触。在与实例1的[铜板+CuO颗粒01]的其它相同条件下测量温度。而且，作为控制，在水中没有加入碳纳米管的情况下测量温度。这些温度测量结果分别作为[加入C管]和[没有]在图6中顺序表示。
从图6中可以理解，[没有]的水温比[加入C管]的水温约高0.6℃。顺便说一下，碳纳米管在水中不溶解，当结束实验时，看到的现象是颗粒聚合形成团。
就αCuTop/αbottom的值而言，在含有碳纳米管的水的情况下αCuTop/αbottom＝0.3576的值比仅为水的情况下αCuTop/αbottom＝0.3667的值稍小。因此，认为由于加入碳纳米管传热系数有点下降。
实例3[实验装置]如图7所示，配备热水箱28和冷水箱29。而且，由两个(上部和下部)槽道组成的流动通道31和32形成为带有长方体箱30，该长方体箱30由硬氯乙烯树脂制成，厚度为10mm。流动通道31和32具有统一尺寸的截面，其沿流动方向高度为15mm，宽度为310mm，上部流体通道31与下部流体通道32由厚度为1.5mm的铜板33分隔开。通道31和32具有在流动方向的一端的入口和在另一端的出口。
倾斜该箱30以便入口向下而出口向上。通过泵34和35分别给上部流动通道31的入口供应热水，给下部流动通道32的入口供应冷水(冷着均为自来水)。然后，从流动通道31和32的出口流出的热水和冷水分别向下流入热水罐28和冷水罐29。采用一个未示出的阀进行调节，使得流速相同。温度传感器36、37、38和39以L＝1.8m的距离布置在流动通道31和32的上游(靠近入口)和下游(靠近出口)，以便自动测量水温。当热水和冷水的入口温度达到稳定状态后，每隔10秒再测量10分钟，从这些测量值中至少5分钟(或更多)期间的测量值(数据的个数30)的各平均值被认为是测量结果。
热经过铜板33从上部流体区域的热水传输到下部流体区域的冷水。从而流动了1.8m的热水温度降低，相反地冷水温度升高。各温差由下列因素确定由于铜板33(该铜板分隔两个上部和下部层的流体)自身的物理特性的热传导，从热水到铜板33的传热，以及从铜板33到冷水的传热。自然地，传热系数越高，温差越大。
本实验在下列四种条件下进行只用硝酸处理铜板33的情况[仅铜板]，如实例1中用同样的包含氧化铜纳米颗粒的糊状物来处理铜板33的两个表面的情况[两面使用纳米颗粒]，用包含氧化铜纳米颗粒的糊状物来处理铜板33的一个在热水侧的表面的情况[热表面使用纳米颗粒]，以及相反的，用包含氧化铜纳米颗粒的糊状物来处理铜板33的一个在冷水侧的表面的情况[冷表面使用纳米颗粒]。
在流速u＝4.41cm/sec的情况下的实验结果如图8所示。对于所有四种条件，热水的入口温度(Hinlet)和冷水的入口温度(Cinlet)几乎在相同的条件下。
通过比较[两面使用纳米颗粒]和[仅铜板]，热水和冷水的入口和出口的温差有明显的差别。因为两个流动通道的流速和传热面积(0.31m×1.8m)是相同的，可以认为该差别是由于从热水到铜板和从铜板到冷水的传热系数的不同而产生的。
的结果可以从常用的经验相关公式(管道层流的Churchill & Ozoe公式)推测出，计算值和实验值在相当大的精度(出口温度的计算值和实验值的差是0.36℃)上一致。作为比较，[两面使用纳米颗粒]的实验值表现出改进，因为从热水到铜和从铜到冷水的传热系数各是计算值的1.8倍。
和[冷表面使用纳米颗粒]的结果分别表示在形成从纳米颗粒产生的多孔层的情况下改进了传热系数。
图9用条线图(在U＝4.4cm/s的情况下通过热交换的水温变化率)表示上述结果。以热水和冷水的入口温差(Inlet)为基础，热水温差(Hot＝Hinlet-Houtlet)和冷水温差(Cool＝Coutlet-Cinlet)的比表示为(Hot/Inlet)和(Cool/Inlet)。[1-(Outlet)/(Inlet)]的值是其中加入了热水和冷水的出口温度差(Outlet)，(Hot/Inlet)和(Cool/Inlet)的和也表示了[1-(Outlet)/(Inlet)]的值。从概念上说，[1-(Outlet)/(Inlet)]的值的量级代表了热交换(即传热)的改善程度，(Hot/Inlet)和(Cool/Inlet)表示各自的贡献程度。
在[两面使用纳米颗粒]和[仅铜板]的情况下，(Hot/Inlet)和(Cool/Inlet)的值是相同的程度，这表示在普通平行流的情况下热交换是固定成立的。因此，看来可以应用热交换的理论，可以确定通过前述经验相关公式的估计计算是有效的。
在流速u＝约8cm/sec的情况下的实验结果如图10所示。因为流速快，很难控制四种条件的热水的入口温度(Hinlet)和冷水的入口温度(Cinlet)，因此应用了一些不同的条件。
图11以与实验结果1相同的方式来用条线图(通过热交换的水温变化率，u＝约8cm/sec)表示结果。在各条件下的实验结果表示出与以前情况(流速为U＝4.41cm/s)的结果完全相同的趋势。实验结果和在[仅铜板]的情况下通过公式(通过将紊流加入上述经验相关公式得到的公式(管内的紊流Petukhov校正公式以及层流的Churchill &Ozoe公式))得到的计算结果在很好的精度(出口温度的差为0.02℃)一致。作为比较，[两面使用纳米颗粒]的实验值表现出改进，因为从热水到铜和从铜到冷水的传热系数各是计算值的2.1倍。
图11也简单表示了四种实验条件。这是因为[一面使用纳米颗粒]在[仅铜板]和[两面使用纳米颗粒]的中间。
当评价普通一般的热交换系统时，在许多情况下认为翅片等是用于例如增加传热面积。但是，它们一起有负面元素，因为能量随着流体流动的增加而损失。因此，由于多孔层导致的通道摩擦损失的增加在整体评价系统时是不可缺少的。
在该实验中，要测量摩擦损失。但是通过基于常用的经验相关公式(光滑管的通用阻力定律Prandtl·Karmann公式和考虑等效砂粗糙度的Colebrook的近似公式)的计算，对于1.5m间隔的流动通道只产生约0.9mm水柱的损失，实际上，可以只用压力计来目测小于或等于1.0mm水柱的损失。关于由于具有或没有多孔层的摩擦损失的估计，必须进行提高流速的实验。但是，在其上形成多孔层的表面好象是漆过的，注意已得到如下结果通过根据引入等效砂粗糙度的Moody图的计算，即使与光滑管比较，也只导致摩擦系数增加3％或更少。
实例4到这个实例前的例子都是流体为水的情况。在本实例中，流体是空气。通过与实例1的[铜板+CuO颗粒01]和[仅铜板]相同的步骤得到的测试板40倾斜地固定(倾斜角α＝30度)在风道41出口的一端，如图12的俯视图和图13的正视图所示。而且，由铂电阻薄膜制成的温度传感器42安装在测试板40的背面，温度传感器43靠近风道41的出口安装。然后，热风(117℃)以0.5m/s的空气速度吹到测试板40上，确定热风没有绕到测试板40的背侧。用温度传感器42来测量达到稳定状态的测试板40的温度。结果认识到清楚的差别，[仅铜板]的温度为57.5℃和[铜板+CuO颗粒01]的温度为59.2℃。
工业适用性如上所述，根据本发明，简单通过用纳米颗粒处理与流体(作为传热物体)接触的固体表面，或者通过形成具有多个纳米尺寸的孔的层，传热系数显著提高，因此本发明在热交换系统中是有用的，该热交换系统例如空调或热水供应器或需要传热的各个领域。
权利要求
1.一种在固体和流体之间的传热方法，其特征在于用一组具有100nm或更小的直径的颗粒处理与流体接触的固体表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在处理的时候，所述颗粒组与酸或碱混合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述固体是金属。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于所述颗粒组至少是从氧化铜CuO、碳C和氧化铝Al2O3中选出的一个。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述固体是金属，所述颗粒组是由与固体相同的金属或该金属的氧化物制成。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于所述流体是水或空气。
7.一种在固体和流体之间进行热交换的系统，其特征在于该系统设有具有与流体接触的表面的固体，其中，在所述表面上形成包含多个具有100nm或更小的直径的孔的多孔层。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述固体具有第二表面和分隔体，所述第二表面与第二流体接触，所述第二流体具有与所述第一流体不同的温度，所述分隔体使得所述第一流体和所述第二流体可以不混合。
9.根据权利要求7或8所述的热交换系统，其特征在于所述多孔层由一组颗粒产生，所述颗粒具有100nm或更小的直径。
10.根据权利要求7至9之一所述的热交换系统，其特征在于所述固体是金属的。
11.根据权利要求9或10所述的热交换系统，其特征在于所述颗粒组至少是从氧化铜CuO、碳C和氧化铝Al2O3中选出的一个。
12.根据权利要求9所述的热交换系统，其特征在于所述固体是金属，所述颗粒组是由与固体相同的金属或该金属的氧化物制成。
13.根据权利要求7至12之一所述的热交换系统，其特征在于所述流体是水或空气。
全文摘要
本发明公开了一种在固体(例如金属)和流体(例如水)之间的传热方法，其特征在于通过用含有颗粒组的糊状物和酸或碱来处理与流体接触的固体的表面，在该固体的表面上形成具有多个纳米尺寸的孔的多孔层，所述颗粒组(例如氧化铜CuO、碳C和氧化铝Al
文档编号F28F13/02GK1685193SQ0282973
公开日2005年10月19日 申请日期2002年12月25日 优先权日2002年10月10日
发明者功刀资彰, 向胜己 申请人:株式会社伊势屋机械制作所, 功刀资彰