专利名称：声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声空化和Ti02纳米颗粒复合控制沸腾传热强化的方 法，特别是应用于各种传热表面强化传热的方法及装置。
背景技术：
沸腾传热因具有高的换热能力而被广泛应用于能源领域、动力、航空 和航天等工程中，然而，先进设备热负荷的不断提高又促使传热学者继续 寻求高效可靠的冷却手段。要有效控制沸腾传热过程就必须对其有全面和 深入的了解。虽然传热学者通过实验获取了大量有关热流密度与壁面过热 度的数据，及与沸腾传热密切相关的气泡的成核、长大和脱离规律，但是， 对沸腾传热机理的全面理解和能动控制仍是传热学界亟待解决的问题。
声空化(Acoustic Cavitation)是指向液体中辐射声波时，在一定压
强下液体中出现的微小汽泡随着声压的变化作脉动、振荡，或伴随有生长、 收縮以致破灭的现象。声空化及其相关效应研究是目前国际上的热点前沿 课题之一。声空化强化传热技术是近些年来新兴的，引起人们广泛关注的 第三代有源强化传热技术之一，也是声空化技术在传热学领域的新应用。 它从强化传热过程的根本着手，试图发展能直接强化传热机制的新型强化 传热技术，从而实现在工程实际中有效强化传热过程。自2000年来，中国科学院的周定伟、胡学功和刘登瀛就声空化对水平铜管的单相对流和沸 腾传热强化进行了大量的研究。研究表明，声空化对单相对流和沸腾传热 均有显著的强化作用，单相对流传热时最大强化率可达3.9倍；空化气泡 形成的高温高压及空化泡崩溃时形成的强压力脉冲，能够使壁面热边界层 厚度减薄；当传热壁面处于高热流密度负荷时，空化气泡对沸腾换热的 影响将直接施加在传热表面孔穴内气泡胚胎的成核、长大和破灭
上，并使传热边界层受到强烈扰动，从而强化其传热传质过程；
国内外对声空化的研究仅限于对声空化机理的认识和其工程应用，而 对声空化过程中所存在的传热问题却被国内外传热学者忽略了。采用声空 化强化传热方法与五、六十年代仅依靠超声波使液体产生机械振动以达到 强化传热的方法有重大区别。后者未涉及空化现象，仅仅是一种宏观的强 化传热技术，而前者是利用超声波激活液体中的微小泡核并使之崩溃以释 放出能量从而达到强化传热的目的。迄今为止，只有两个专利就声空化强 化传热进行了报道，但都局限于单相对流传热。
当物质颗粒尺寸小到纳米量级(为千万分之一米至十亿分之一米)时， 这种物质就被称为纳米材料。由于纳米材料在磁、光、电、敏感等方面呈 现出常规材料所不具备的特性，因此，在陶瓷增韧、磁性材料、电子材料 和光学材料等领域有广阔的应用前景。目前，我国对纳米技术的研究工作 主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、纳米电子学以及少 量纳米技术的应用等方面，将纳米材料应用到传热领域尚未见有专利公开 报道。
自2000年来，中国科学院工程热物理研究所的周定伟，胡学功，刘登瀛等就声空化强化水平铜管的单相对流和沸腾传热进行了系统的实验
和理论研究，其成果在国内外多家杂志和会议上进行了报道。2004年，淮
秀兰等人就声空化强化单相对流传热的系统和方法提出了专利申请。其专
利号分别是ZL200410058535. 0和ZL200420064673. 5。这两个专利仅就 低热流密度(15 kW/m2)下的传热强化情况进行了报道。而对于高于此热 流密度的传热强化情况，本发明将予以报道。在实际的日常和工业生产中， 我们更多遇到的是高热流密度下传热表面由于温度过高而需要进行传热 强化。例如，根据美国半导体业界SIA的数据表明，大约3年后，高性能 芯片的发热密度将要达到50W/cm2的程度。在此热流密度下，采用常规液 体来进行冷却时壁面上出现的是沸腾传热而非单相对流传热。常规的冷却 技术也己经不能满足高性能芯片的散热要求。
发明内容
本发明的目的是
解决传热强化领域的沸腾传热强化及沸腾热滞后的问题，从而提供一 种声空化和二氧化钛(Ti02)纳米颗粒复合控制沸腾传热的方法及装置。 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样的
一种声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法，其包括步骤
a) 将超声换能器下末端插入腔体内液面以下处，通过超声波发生器调 节声空化强度，并且从腔体顶部一开口加入纳米颗粒；
b) 通过变压器调节加热器两端的电压，逐步增加加热器功率，待系统 稳定后记录换热件和液体温度、加热器两端的电流、电压以及声空化强度的参数值；
c) 如工作液体温度过高，则开启冷凝器；
d) 当温度处于沸腾起始点附近时，要缓慢增加换热件功率，以换热件 壁温升高1。C为准，以便观察温度过头的现象，直至进入充分发展的核态 沸腾；
e) 分别调节加热器的功率、纳米颗粒的浓度与超声换能器的参数，以 得到不同工况下的声空化和纳米颗粒强化沸腾传热的数据；
f)通过下列计算得出换热件外表面上热流密度与壁面过热度的关系 式热流密度q"二 (UI)/S，其中，S为传热面积，U和I分别为通过换热 件的电压和电流；壁面过热度为换热件表面的温度与工作液体的饱和温度 之差，换热系数h 二 q〃/(Tw-T》，其中，q〃为热流密度，Tw为换热件壁 面温度，T,为液体温度。
所述的方法，其所述a)步，将超声换能器下末端插入腔体内液面以下 处，是其下末端插入液体工质深度为0 70腿。
所述的方法，其所述超声换能器，其工作频率为19.0±1.0 kHz,超 声换能器的声强为10 80 W/cm2。
所述的方法，其所述a)步，向腔体内添加纳米颗粒，为二氧化钛纳米 颗粒，颗粒尺寸为0.01 200 nm。
所述的方法，其所述a)步，腔体内添加纳米颗粒后，启动超声换能器 至少20分钟，然后才开始b)步的传热测试。
一种所述的方法使用的装置，包括密闭腔体、换热件、冷凝器、超声 换能器、压力测量装置、温度测量装置、液体工质、电源和计算机；其中，一个密闭不锈钢腔体外表面覆有保温层，腔体内盛有一定体积介电液 体，腔体壳体上有温度测量装置、观察孔、热电偶和泄液球阀，两换热件 安装孔在腔体左右两侧壁上，超声换能器安装孔在腔体顶壁；
一换热件水平安装在箱体中间并浸没在液体中，两端分别位于腔体左 右两侧壁上的安装孔内，密封固接；该换热件两端与电源电连接，电路中 串有电流表、并联有电压表，且其一端外接热电偶和温度测量仪；该换热 件由内外双层铜管嵌套而成，其内管内部装有圆棒状加热器，外管表面为 传热表面；
一紫铜盘管状冷凝器浸没于液体中，盘管出/入口位于腔体顶壁，内 通冷却水用来控制腔体内液体工质的温度；.
一超声换能器竖直安装在腔体顶部安装孔内，并与超声波发生器相 连，超声换能器下末端插入液体一定深度；
多数个热电偶位于液体中，外接温度测量仪；温度测量仪与计算机相 连接；其还包括纳米颗粒，且在腔体顶部设有一开口和压力测量装置；
超声换能器工作时产生超声波导致液体出现声空化现象，声空化产生 的空化气泡能直接作用在换热件的光滑传热表面孔穴内的气泡胚胎上，诱 发气泡胚胎成核，并使具有高传热效率的核沸腾提前发生，同时， 一定量 的纳米颗粒从腔体顶部一开口加入，二氧化钛纳米颗粒对沸腾传热的作用 正好相反，纳米颗粒的添加使沸腾传热表面更光滑，推迟核沸腾的发生， 从而降低传热效率；因而通过调节声空化的强度和纳米颗粒的浓度，能灵 活控制沸腾传热的强化和弱化，从根本上实现强化沸腾和控制沸腾传热过 程。所述的装置，其所述腔体顶部竖直安装的超声换能器，其下末端插入
液体工质深度为0 70 mm;超声换能器与换热件的传热表面之间有一间 隙，超声换能器的下末端距铜管表面的垂直距离为1 300 mrn。
所述的装置，其所述超声换能器，其工作频率为19.0±1.0 kHz，超 声换能器的声强为10 80 W/cm2。
所述的装置，其所述换热件的外层铜管，其外表面是为机加工表面和 /或用沙纸打磨过的表面，热流密度负荷为0 106 W/m2。
所述的装置，其所述换热件，其位于腔体内的两端各有《40mm的绝 热部分以消除端部效应，换热件内、外铜管之间填有焊锡，焊锡包覆有多 数个热电偶。
所述的装置，其所述温度测量仪，其与一计算机连接。
所述的装置，其所述腔体上安装的压力测量装置，为压力表，其测量
范围为0. 5 2. 0 atm。
所述的装置，其所述纳米颗粒，为二氧化钛纳米颗粒，颗粒尺寸为
0. 01 200 nm。
本发明提供一种声空化和二氧化钛(Ti02)纳米颗粒复合控制沸腾传 热强化的方法，竖直安装在腔体顶部并且其下末端插入液体一定深度的超 声换能器工作产生超声波导致液体出现声空化现象，声空化产生的空化气 泡能直接作用在光滑传热表面孔穴内的气泡胚胎上，诱发气泡胚胎成核， 并使具有高传热效率的核沸腾提前发生，同时， 一定量的二氧化钛(Ti02) 纳米颗粒从腔体顶部一开口加入，二氧化钛(Ti02)纳米颗粒对沸腾传热的作用正好相反，纳米颗粒的添加可使沸腾传热表面更光滑，推迟核沸腾 的发生，从而降低传热效率。因而通过调节声空化的强度和纳米颗粒的浓 度，可灵活控制沸腾传热的强化和弱化。从而从根本上实现强化和控制沸 腾传热，为第三代有源强化传热技术的实现提供理论基础和实际技术。
本发明与已有技术(包括淮秀兰等人的专利ZL200410058535. 0和 ZL200420064673. 5)不同之处在于
1. 在箱体的顶部安装了压力表，可以即时监测箱体内的压力；
2. 在箱体内添加了二氧化钛(Ti02)纳米颗粒；
3. 运用较高的壁面热流密度，在此热流密度下，传热壁面通常会出 现气泡，传热形态不再是简单的单相对流传热，而是具有高传热效率的核 沸腾传热；
4. 换热件表面的沸腾曲线出现了两次起沸现象；
5. 声空化强化了水平铜管的沸腾传热；
6. 声空化强化沸腾传热的机理是空化气泡能直接作用在光滑传热
表面孔穴内的气泡胚胎上，诱发气泡胚胎成核，并使具有高传热效率的核 沸腾传热提前发生。
7. 与无纳米颗粒的沸腾传热情形相比，二氧化钛(Ti02)纳米颗粒的 添加先是降低了沸腾传热；然而，随着纳米颗粒的继续增加，沸腾传热的 情形得到改善；
8. 纳米颗粒弱化沸腾传热的机理是纳米颗粒的添加可使沸腾传热 表面更光滑进而影响其上汽泡胚胎的生成、长大及脱离，推迟核沸腾的发 生，从而降低传热效率。9.在一定的声空化强度，纳米颗粒浓度及超声发生器位置时，增加的液体 过冷度对沸腾传热有显著强化作用，且沸腾热滞后现象消失。
图1是本发明用声空化和二氧化钛(Ti02)纳米颗粒强化和控制沸腾 传热实验装置示意图。
图2是本发明方法对声空化强度的影响。
图3是本发明方法中纳米颗粒对液体工质沸腾换热的影响。 图4是本发明方法中声空化场下纳米颗粒对沸腾传热的影响。 图5 (a)、 (b)是本发明方法对液体过冷度的影响。
具体实施例方式
见图l，是本发明的方法使用的装置，包括密闭腔体6、换热件ll、 冷凝器4、超声换能器2、压力测量装置l、温度测量装置、液体工质、电 源16和计算机12;其中，
一个密闭不锈钢腔体6外表面覆有保温层7，腔体6内盛有一定体积 介电液体，腔体6壳体上有压力测量装置1、温度测量装置、观察孔IO、 热电偶8和泄液球阀14，两换热件安装孔在腔体6左右两侧壁上，超声换 能器安装孔在腔体6顶壁；
一换热件11水平安装在腔体6中间并浸没在液体中，两端分别位于 腔体6左右两侧壁上的安装孔内，密封固接；该换热件11两端与电源16 电连接，电路中串有电流表13、并联有电压表15，且其一端外接热电偶8和温度测量仪9;该换热件l,l由内外双层铜管嵌套而成，其内管内部装有 圆棒状加热器，外管表面为传热表面；
一紫铜盘管状冷凝器4浸没于液体中，盘管出/入口位于腔体6顶壁，
内通冷却水用来控制腔体6内液体工质的温度；
一超声换能器2竖直安装在腔体6顶部安装孔内，并与超声波发生器
3相连，超声换能器2下末端插入液体一定深度；
多数个热电偶8位于液体中及换热件11上，外接温度测量仪9;温度
测量仪9与计算机12相连接；其还包括纳米颗粒，且在腔体6顶部设有 一开口 17和压力测量装置1;
超声换能器2工作时产生超声波导致液体出现声空化现象，声空化产
生的空化气泡能直接作用在换热件11的光滑传热表面孔穴内的气泡胚胎 上，诱发气泡胚胎成核，并使具有高传热效率的核沸腾提前发生，同时，
一定量的纳米颗粒从腔体6顶部一开口 17加入，二氧化钛纳米颗粒对沸
腾传热的作用正好相反，纳米颗粒的添加使沸腾传热表面更光滑，推迟核
沸腾的发生，从而降低传热效率；因而通过调节声空化的强度和纳米颗粒
的浓度，能灵活控制沸腾传热的强化和弱化，从根本上实现强化沸腾和控 制沸腾传热过程。
腔体6顶部竖直安装的超声换能器2，其下末端插入液体工质深度为 0 70 mm;超声换能器2与换热件11的传热表面之间有一间隙，超声 换能器2的下末端距换热件11铜管表面的垂直距离为1 300 mm。
超声换能器6的工作频率为19.0±1.0 kHz,声强为10 80 W/cm2。
换热件11的外层铜管，其外表面是为机加工表面和/或用沙纸打磨过的表面，热流密度负荷为0 106 W/m2。
换热件11位于腔体内的两端各有《40 mm的绝热部分以消除端部效 应，换热件内、外铜管之间填有焊锡，焊锡包覆多数个热电偶8。
温度测量仪9，其与一计算机12连接。
腔体6上安装的压力测量装置1，为压力表，其测量范围为0. 5 2. 0
atm。
纳米颗粒，为二氧化钛纳米颗粒，颗粒尺寸为0.01 200 nm。
在如图1所述的一个系统中可以实现声空化和Ti02纳米颗粒复合控制 沸腾传热强化的方法。它包括 一内部尺寸为200mmX 200 mm X 230 mra 的不锈钢腔体6，所用液体工质为丙酮。紫铜盘管状冷凝器4浸没于液体 中，冷凝器4的盘管内通冷却水用来控制腔体6内液体温度。腔体6覆盖 保温层7以减少热损失，腔体6两侧各有一玻璃观察窗10，用于观察和拍 摄实验现象。腔体6底部安装一球阀14以排泄液体。竖直安装在腔体6 顶部并且其下末端插入液体一定深度的超声换能器2工作产生超声波导致 液体出现声空化现象，超声换能器2的工作频率为19kHz，其与一超声波 发生器3相连，由超声波发生器3提供可达50 80 W/ ，2的声强和0 250 W内可调的电功率。
换热件11长度为152 mm，由内外双层铜管嵌套而成，在内径为12mm 的内管内部装有圆棒状加热器，外径为20mm的外管表面为传热表面，该 换热件11水平安装在腔体6中间并浸没在液体中。八支直径1.0 mm的镍 铬一镍硅铠装热电偶8安装于换热件9的内管和外管之间并用焊锡铅封内外铜管之间的间隙以实现热电偶8与内外管表面之间的紧密接触，保证热
电偶8测量到内管外表面的温度以及外管内表面的温度T。
在换热件11附近区域的液体中分布有三支热电偶8，用以测量液体的
温度。采用温度测量仪9记录各点的温度值。
温度是采用日本Yokogawa Electric公司生产的7501型可编程扫描仪
和7563型数字测温仪联机测量。
在腔体6的顶部安装有压力表1，可以即时监测腔体6内的压力； 在该系统中实现声空化和二氧化钛(Ti02)纳米颗粒复合控制沸腾传
热强化的主要操作步骤如下先将超声换能器2末端插入腔体6液面下20
ram处，通过超声波发生器3调节声空化强度，并且从腔体6顶部一开口
17加入一定量的二氧化钛(Ti02)纳米颗粒，然后，通过变压器调节换热
件11的加热器两端的电压。逐步增加加热器功率，待系统稳定后记录换
热件和液体温度、加热器两端的电流、电压以及声空化强度等参数值；如
工作液体温度过高，开启冷凝器4。当换热件ll的传热壁面温度处于沸腾
起始点附近时，要缓慢增加换热件ii的功率，以换热件ii壁温升高rc
为准，以便观察温度过头的现象，直至进入充分发展的核态沸腾。可分别 调节换热件11的加热器功率、测试液体中纳米颗粒的浓度与超声换能器2 的参数等得到不同工况下的声空化和纳米颗粒强化沸腾传热的数据。
利用所测的实验数据，通过下列计算可以得出换热件外表面上热流密 度与壁面过热度的关系式。热流密度q〃 = (UI)/S， S为传热面积，U和I 分别为通过换热件的电压和电流。壁面过热度为换热件表面的温度与工作 液体的饱和温度之差。换热系数h = q"/(Tw-T))， q"为热流密度，Tw为 换热件ll的壁面温度(为八根热电偶读数修正值的算术平均值)，L为液体温度。
按照本发明方法，采用本发明系统得到的热流密度随声空化强度的增 加而向左移动，如图2所示。由图可以看出，声空化对沸腾传热有显著强 化作用。当没有声空化时，沸腾曲线出现了沸腾热滞后现象，在同一热流 密度下，壁面温度出现了跳跃；随着声空化强度的增加，热滞后现象减弱 至最后消失。
按照本发明方法，当增加Ti02纳米颗粒时，采用本发明系统得到的热 流密度随声空化强度的增加而向右移动，如图3所示。由图可以看出，纳 米颗粒对沸腾传热有显著弱化作用，且出现了二次沸腾热滞后现象。
按照本发明方法，当增加Ti02纳米颗粒时，采用本发明系统得到的热 流密度随声空化强度的增加而向右移动，如图4所示。由图可以看出，纳 米颗粒对沸腾传热有显著弱化作用，但随着纳米颗粒浓度的增加，沸腾向 左移动，即沸腾传热被强化。
按照本发明方法，在一定的声空化强度，纳米颗粒浓度及超声发生器 位置时，采用本发明系统得到的热流密度随液体过冷度的增加(如从14 度增加到25度)而向左移动，如图5所示。由图可以看出，增加的液体 过冷度对沸腾传热有显著强化作用，且沸腾热滞后现象消失。
本发明的技术效果
实验和机理研究结果表明整束空化气泡的强烈射流及单个空化汽泡
崩溃时产生的局部微冲流是声空化场强化沸腾传热的主要原因，而它又是 通过空化汽泡的生成、合并、长大及破灭直接影响传热表面上汽泡胚胎的 生成、长大及脱离来完成的。纳米颗粒的添加没有改变水平圆管沸腾曲线随声空化场方向、强度和 液体过冷度等的变化趋势，但是，添加有纳米颗粒的丙酮溶液沸腾曲线却
出现了一些新现象。如图3所示，当液体过冷度(ATsub)为25K时，纳米颗
粒的添加使得水平圆管表面出现两次起沸现象，且第一次起沸温度非常
高。研究表明第一次起沸是水平圆管下表面上的核化孔穴活化所为，圆 管下表面沸腾时产生的汽泡对上表面有冲刷作用，抑制了上表面的起沸。 热流密度继续增加，壁面过热度升高到足以使传热上表面起沸(第二次起 沸)后，整个传热表面才全部进入充分发展的核态沸腾传热。添加到丙酮 溶液中的纳米颗粒在声空化场作用下充分乳化，其中一些纳米颗粒附着在 传热表面上。由于纳米颗粒尺寸远远小于传热表面上用以起沸的核化孔穴 尺寸，因此，纳米颗粒的添加降低了传热表面的粗糙度，此时，热流密度 只有增加到足以使比原来用以起沸的孔穴尺寸更小的孔穴活化，传热表面 才幵始起沸，即纳米颗粒的添加会使沸腾起始温度增加。这就是添加有纳 米颗粒的丙酮溶液沸腾起始温度如此之高的缘故。
声空化场的存在及其强度增加均会抑制水平圆管沸腾滞后现象的发
生，然而，如图5(a)所示，在同一条件下，随着液体过冷度的降低，添加 有纳米颗粒的丙酮溶液沸腾曲线又重新出现了滞后现象。它的出现可能是 由下述因素综合作用的结果。 一方面液体过冷度降低会使温度过头值增 加，滞后现象明显；另一方面，纳米颗粒的添加及其浓度增加和声空化场 的存在及其强度增加又会抑制沸腾滞后的出现，且两者作用机理相同，同 时，声空化场对传热的影响随工作液体温度增加而增强。两方面因素作用 的结果决定了沸腾滞后现象的出现与否。如果液体过冷度的影响占主导地位，滞后就会发生，相反，传热表面就会逐渐地从单相受迫对流传热过渡 到充分发展的核态沸腾传热。
尽管水平圆管的沸腾换热能力随纳米颗粒浓度的增加而略有增加，如 图4所示，但是，它总会低于相同条件下无纳米颗粒时的沸腾换热强度。 这是因为纳米颗粒的添加改变了传热表面的粗糙度，并且使之朝不利于核 态沸腾发生的方向发展。
本发明提供一种声空化和Ti02纳米颗粒复合控制沸腾传热强化的方
法。声空化产生的空化气泡能直接作用在光滑传热表面孔穴内的气泡胚胎
上，诱发气泡胚胎成核，并使具有高传热效率的核沸腾提前发生。而Ti02 纳米颗粒对沸腾传热的作用正好相反。纳米颗粒的添加可使沸腾传热表面 更光滑，推迟核沸腾的发生，从而降低传热效率。通过调节声空化的强度 和纳米颗粒的浓度，可灵活控制沸腾传热的强化和弱化。从而从根本上实 现强化和控制沸腾传热，为第三代有源强化传热技术的实现提供理论基础 和实际技术。
权利要求
1.一种声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法，其特征在于，包括步骤a)将超声换能器下末端插入腔体内液面以下处，通过超声波发生器调节声空化强度，并且从腔体顶部一开口加入纳米颗粒；b)通过变压器调节加热器两端的电压，逐步增加加热器功率，待系统稳定后记录换热件和液体温度、加热器两端的电流、电压以及声空化强度的参数值；c)如工作液体温度过高，则开启冷凝器；d)当温度处于沸腾起始点附近时，要缓慢增加换热件功率，以换热件壁温升高1℃为准，以便观察温度过头的现象，直至进入充分发展的核态沸腾；e)分别调节加热器的功率、纳米颗粒的浓度与超声换能器的参数，以得到不同工况下的声空化和纳米颗粒强化沸腾传热的数据；f)通过下列计算得出换热件外表面上热流密度与壁面过热度的关系式热流密度q″＝(UI)/S，其中，S为传热面积，U和I分别为通过换热件的电压和电流；壁面过热度为换热件表面的温度与工作液体的饱和温度之差，换热系数h＝q″/(Tw-T1)，其中，q″为热流密度，Tw为换热件壁面温度，T1为液体温度。
2、如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述a)步，将超声换能 器下末端插入腔体内液面以下处，是其下末端插入液体工质深度为0 70mm。
3、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声换能器，其工 作频率为19.0±1.0 kHz，超声换能器的声强为10 80 W/cm2。
4、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述a)步，向腔体内添 加纳米颗粒，为二氧化钛纳米颗粒，颗粒尺寸为0.01 200 nm。
5、 如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述a)步，腔体内 添加纳米颗粒后，启动超声换能器至少20分钟，然后才开始b)步的传热 测试。
6、 一种如权利要求1所述的方法使用的装置，包括密闭腔体、换热 件、冷凝器、超声换能器、温度测量装置、液体工质、电源和计算机；其 中，一个密闭不锈钢腔体外表面覆有保温层，腔体内盛有一定体积介电液 体，腔体壳体上有温度测量装置、观察孔、热电耦和泄液球阀，两换热件 安装孔在腔体左右两侧壁上，超声换能器安装孔在腔体顶壁；一换热件水平安装在箱体中间并浸没在液体中，两端分别位于腔体左 右两侧壁上的安装孔内，密封固接；该换热件两端与电源电连接，电路中 串有电流表、并联有电压表，且其一端外接热电偶和温度测量仪；该换热 件由内外双层铜管嵌套而成，其内管内部装有圆棒状加热器，外管表面为 传热表面；一紫铜盘管状冷凝器浸没于液体中，盘管出/入口位于腔体顶壁，内 通冷却水用来控制腔体内液体工质的温度；一超声换能器竖直安装在腔体顶部安装孔内，并与超声波发生器相连，超声换能器下末端插入液体一定深度；多数个热电偶位于液体中，外接温度测量仪；温度测量仪与计算机相 连接；其特征在于，还包括纳米颗粒，且在腔体顶部设有一可关闭的开口 和一压力测量装置；超声换能器工作时产生超声波导致液体出现声空化现象，声空化产生 的空化气泡能直接作用在换热件的光滑传热表面孔穴内的气泡胚胎上，诱 发气泡胚胎成核，并使具有高传热效率的核沸腾提前发生，同时， 一定量 的纳米颗粒从腔体顶部一开口加入，二氧化钛纳米颗粒对沸腾传热的作用 正好相反，纳米颗粒的添加使沸腾传热表面更光滑，推迟核沸腾的发生， 从而降低传热效率；因而通过调节声空化的强度和纳米颗粒的浓度，能灵 活控制沸腾传热的强化和弱化，从根本上实现强化沸腾和控制沸腾传热过 程。
7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述腔体顶部竖直安装 的超声换能器，其下末端插入液体工质深度为0 70 mm;超声换能器与 换热件的传热表面之间有一间隙，超声换能器的下末端距铜管表面的垂直 距离为1 300 mm。
8、如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述超声换能器，其工 作频率为19.0±1.0 kHz，超声换能器的声强为10 80 W/cm2。
9、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述换热件的外层铜管， 其外表面是为机加工表面和/或用沙纸打磨过的表面，热流密度负荷为 0 106 W/m2。
10、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述换热件，其位于腔体内的两端各有《40 mm的绝热部分以消除端部效应，换热件内、外铜管 之间填有焊锡，焊锡包覆多数个热电耦。
11、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述温度测量仪，其与 计算机连接。
12、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述腔体上安装的压力 测量装置，为压力表，其测量范围为0.5 2.0 atm。
13、 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述纳米颗粒，为二氧 化钛纳米颗粒，颗粒尺寸为0.01 200 nm。
14、 如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述液体工质为丙酮。
全文摘要
本发明一种声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法，涉及换热技术，是在测试箱体液体内添加二氧化钛纳米颗粒，并对液体产生声空化场，以控制沸腾传热进行强化或弱化。能产生空化气泡束的可调频率超声换能器和具有纳米量级尺寸的颗粒为本发明方法的两要件。实现本发明方法的装置，包括一测试箱体，传热测试表面，电加热器，一超声换能器及超声波发生器，观察窗，冷凝器，热电偶，压力表，及纳米颗粒。本发明能对传热表面的单相对流传热和核沸腾传热进行强化和弱化控制，且其强化换热率高，散热热流密度高，是一种有源复合强化传热的方法。
文档编号F28F13/00GK101294780SQ200710098679
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月25日 优先权日2007年4月25日
发明者刘登瀛, 周定伟, 胡学功 申请人:中国科学院工程热物理研究所