一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球壳模型

1.本发明属于热质传递技术领域，涉及一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球壳模型。


背景技术：

2.热质传递问题广泛存在各类生产和生活当中，强化传热传质技术的发展对资源的高效利用有着重要的意义。强化传热传质可分为传热和传质两个领域而又密不可分。强化传热的主要研究目的是提高换热的整体热效率，实现换热过程的最优化；强化传质的主要研究目的是强化物质的传递、转移过程，提高传质效率，降低能耗。热量的传递过程有三种形式，分别为导热、对流传热和热辐射，而传质过程主要有分子扩散和对流传质。湍流过程中，提高流体对流传质速度能同时提高流体的对流传热能力。所以强化湍流传热传质技术的主要手段就是提高流体的对流程度，方法主要有三种：一是增加流体的流量，二是改变管路的结构增加湍流程度；三是加入微颗粒来增加局部扰动。对于某一种流体流量和管路结构都固定的体系，第三种方法往往更为简便、易于操作，另外固体颗粒在增加流体局部扰动的同时还能提高流体的局部传热系数，因此微颗粒强化传热传质法有重要研究价值和应用前景。而微颗粒的结构特点直接影响其强化传热传质的能力，有必要进展深入研究。


技术实现要素：

3.本发明克服了现有技术的不足，提供一种通过随体流动来提高传热传质效率的微型固体颗粒，在不额外增加湍流耗散的前提下，强化湍流局部传热传质效率。
4.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
5.一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，为中空圆球形壳体，所述壳体上设置有若干通孔；所述壳体上的开孔率为80-90%；所述壳体表面具有粗糙度；所述壳体的直径为10-100nm；所述壳体悬浮于所要作用的流体中。
6.优选的，所述壳体的平均粗糙度ra为0.1nm-0.5nm。
7.优选的，所述壳体的材质为玻璃或金属氧化物。
8.更优的，所述金属氧化物为氧化锌。
9.优选的，所述流体中加入的壳体的质量百分比为0.1-3%。
10.优选的，所述的通孔为圆形。
11.优选的，所述通孔呈阵列式均布在壳体上。
12.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：本发明采用多孔纳米球壳加入基础流体形成液固悬浮液。纳米球传热系数高，提高流体局部传热能力。球壳在通道流动过程中存在平移运动和旋转运动，形成可移动的微型搅拌器，增强局部湍流，强化局部的传热传质并造成整个流动区域速度分布的非线性。表面多孔结构使得流体进入球壳内部并跟着球壳一起运动，纳米球会穿过传质边界层并在两相界面来回运动，加强局部传质。在纳米球的运动下，破环层流边界层或层流底层，因为热
阻主要来自于层流底层，从而增大了贴壁面处壁面法线方向上流体的温度梯度，即增大了表面传热系数，实现强化传热。并且纳米球的直径不大于整体湍流涡尺寸，保证绕其流动的流体不会发生边界层分离，不增加流体整体的湍流程度，即在强化传热传质的同时不会额外增加湍流耗散。对于多相反应流体系，球内环境能增加反应组分在流体内的停留时间，提高反应效率。
附图说明
13.图1为本发明所述纳米球的结构示意图；图2为本发明所述纳米球在流体中传热传质的作用原理图。
具体实施方式
14.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
15.如图1所示，是一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球的结构：为中空圆球形壳体，壳体上设置有若干通孔；壳体上的开孔率为80-90%；壳体表面具有粗糙度ra=0.1nm-0.5nm；壳体的直径为10-100nm；壳体悬浮于所要作用的流体中。流体中加入的壳体的质量百分比为0.1-3%，通孔为圆形，呈阵列式均布在壳体上。
16.球体材料和结构均与流体特性匹配，即保证结构稳定，具有足够刚性抵抗流体局部压力而不坍缩变形；可为玻璃、氧化锌等金属氧化物。球体材料传热系数高于流体本身，且能耐流体温度及腐蚀等。球体具有滚动特征，即球体具有足够的表面粗糙度，来与球体表面边界层流体之间产生动摩擦，使球体能随流体滚动。球体的直径匹配其表面流体流动边界层特征尺寸，直径范围为10-100纳米，即保证尺寸足够大，能随流体移动和旋转，但同时尺寸不能过大，不会导致绕流流体产生流动分离。球体为多孔、中空壳体，一方面降低比重，使其易悬浮在液体中；另一方面通过开孔使其能携带一定流体运动。球体有足够开孔率，为80%-90%，保证高比表面积，且流体易于流入、流出。
17.如图2所示，在尺寸为1mm
×
0.2mm
×
80mm的矩形微通道内加入以纳米球与水形成的纳米流体，纳米流体用超声波纳米分散仪进行超声波振荡，获得稳定的纳米流体悬浮液。采用的sio2纳米球纯度为99.9%，平均粒径20nm，开孔率为80%-90%。纳米流体的本质是固液两相流，无论在近壁区还是主流区，纳米球与液相之间均存在速度滑移且不可忽略，纳米球的微运动减薄了其边界层，可使得基础流体的热量质量传递得到强化。纳米球在伴随主流流动同时做随机微运动。纳米球的微运动可分解为平动和转动两部分。图中可见，纳米流体由于内部存在这些无数高速旋转着的纳米球，所呈现出来的总体效果是纳米流体内部充满了无数的旋转流体微元（扰动源），这将十分有利于流体内部微团的掺混，因此有利于热量传递的进行。图上部分可见，由于纳米球表面吸附力及多孔的作用，会对其周围的水分子产生卷吸和输运作用，液体分子进入到纳米球内部，从而会引起水分子的涡流传递，强化了液相本身的动量传递，也就是强化了其对流换热系数。图下部分可见，纳米颗粒在液相中做布朗运动引起的涡流能涌至边界层并将边界层部分更新，减薄流动边界层的同时加强了整体
的湍流程度，即加强了整体传热传质效果。本发明可用在多相流（气-液、液-液、气-液-液）领域和带反应体系的流动，可有效加强传热传质。
18.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。


技术特征：
1.一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，为中空圆球形壳体，所述壳体上设置有若干通孔；所述壳体上的开孔率为80-90%；所述壳体表面具有粗糙度；所述壳体的直径为10-100nm；所述壳体悬浮于所要作用的流体中。2.根据权利要求1所述的一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，所述壳体的粗糙度ra为0.1nm-0.5nm。3.根据权利要求1所述的一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，所述壳体的材质为玻璃或金属氧化物。4.根据权利要求3所述的一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，所述金属氧化物为氧化锌。5.根据权利要求1所述的一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，所述流体中加入的壳体的质量百分比为0.1-3%。6.根据权利要求1所述的一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，所述的通孔为圆形。7.根据权利要求1所述的一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球，其特征在于，所述通孔呈阵列式均布在壳体上。

技术总结
本发明属于热质传递技术领域，涉及一种用于强化湍流局部传热传质的多孔纳米球壳模型；为中空圆球形壳体，所述壳体上设置有若干通孔；所述壳体上的开孔率为80-90%；所述壳体表面具有粗糙度；所述壳体的直径为10-100nm；所述壳体悬浮于所要作用的流体中；本发明所述的多孔纳米球在不额外增加湍流耗散的前提下，强化湍流局部传热传质效率。化湍流局部传热传质效率。化湍流局部传热传质效率。


技术研发人员：徐娜 刘培卓 张玮 张鸿 贺文云 许鑫 张坤
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/8/5