通过颗粒相互作用增强的边界层传热的制作方法
【专利说明】通过颗粒相互作用增强的边界层传热
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请要求2012年10月17日提交的、名为"ENHANCED BOUNDARY LAYER HEAT TRANSFER BY PARTICLE INTERACTION"的美国专利申请第13/13/654, 369号的优先权，该申 请的内容通过引用并入本文。 发明领域
[0002] 本申请涉及通过降低边界层滞止传热分布（heat transfer profile)的作用来增 加热流体的传热的方法。具体地，本发明涉及将具有专用的尺寸和形状的颗粒加入流体中， 以增加传热。
[0003] 发明背景 进入流体中的传热涉及两个主体之间的因温差引起的能量传递。例如，用于加热流体 的热交换器设计通常由高传导性材料，例如含有流经其内部的流体的金属管构成，其中从 外部加热所述管。热量通过传导穿过金属管，通过传导穿过边界层进入液体，最后通过对流 进入本体流体中。
[0004] 改进传热的尝试包括板框式热交换器、壳管式热交换器，以及一系列不同的翅片 构造以用于更有效地辐射或吸收热量。
[0005] 另外，已经实现了基于流体流动的改进以加速传热。实例包括并流流动，其中流体 的两个最热点和最冷点按相同的方向在热交换器中一起流动。与此相反，逆流装置使流体 的最热点和最冷点按相反的方向流动，这在两种流体之间产生了最大温度差。温度差越大， 导致的热交换器的传热效率越高。
[0006] 流体速度对传热具有显著的影响。例如，层流流动传热机构具有低于端流流动热 交换器的传热。因此，如果被加热的材料能够承受湍流而不降解而且如果湍流是经济上可 行的，则相比于层流热交换器，湍流传热交换器是优选的。
[0007] 所有流动的流体具有壁效应（wall effect)或边界层效应，其中流体速度在与容 器（如管）壁的接触点处大大降低。降低的流体速度阻碍了传热效率。
[0008] 边界层的进一步解释如下。空气动力以复杂的方式取决于流体的粘度。当流体经 过物体移动时，邻近于该物体的表面的分子粘着于该表面。在该物体表面的正上方的流动 的流体分子通过在其与粘着于该表面的流体分子的碰撞中变慢。这些变慢的分子进而减缓 了在它们正上方的流动。离该物体的表面的距离越大，受该物体的表面影响的碰撞的次数 越少。这种现象导致在该表面附近产生流体的薄层，在其中速度从该表面处的零变化至在 远离该表面一段距离处的自由物流的值。因为该层出现在流体的边界上，所以该薄层被称 为边界层。
[0009] 当物体穿过流体移动时，或当流体经过物体移动时，在该物体附近的流体分子被 扰乱并围绕该物体移动。在流体和物体之间产生了空气动力。这些力的量级取决于该物体 的形状、该物体的速度、流经该物体的流体的质量。另外，流体的另外两个重要性质影响着 空气动力的量级，即，流体的粘度或粘性和可压缩性或弹性。为了正确地模拟这些效应，航 空工程师使用相似度参数（similarity parameter)，其是这些效应与存在于问题中的其它 力的比率。如果两个实验对于此相似度参数具有相同的值，则该力的相对重要性被正确地 模拟。
[0010] 图1示出了流向速度从自由物流到表面的变化。在现实中，效应是三维的。从在三 个维度中的质量守恒出发，在流向方向中的速度变化也引起了在其它方向中的速度变化。 如上所解释的，存在垂直于表面的速度的小分量，此分量使在其上方的流动发生位移或移 动。边界层的厚度可以被定义为该位移的量。位移厚度取决于雷诺数，所述雷诺数是惯性 力（抵抗变化或运动）对粘性力（重的和胶状的）的比率，由以下等式给出： 雷诺数（Re)等于速度（V)乘以密度（r)乘以特性长度⑴除以粘度系数（mu)，即Re= V 氺 R 氺 I /mu。 toon] 如在图1中可以看出，边界层可以是层流（即分层的）或湍流（即无序的），这取 决于雷诺数的值。对于较低的雷诺数，边界层是层流并且当其远离壁移动时流向速度均匀 地变化，如图1的左侧上所示的。对于较高的雷诺数，边界层是湍流并且流向速度的特性在 于边界层内部的不稳定（即，随时间变化）的旋流流动。外部流动对边界层的边缘做出反 应，正如其对物体的物理表面作出反应那样。因此，该边界层赋予任何物体"有效"的形状， 该形状通常与物理形状略有不同。边界层可能上提脱离（lift off)主体或与主体"分离" 并建立远不同于物理形状的有效形状。因为相对于自由物流边界层中的流动具有非常低的 能量，而且更容易被压力变化驱动，所以发生了流动分离。流动分离是飞机机翼在大迎角下 失速的原因。在数学上，边界层对升力的影响通过升力系数表达，并且对阻力的影响通过阻 力系数表达。
[0012] 流体流动在固体表面附近的部分是其中剪切应力是显著的而且可不使用无粘性 流假设的部分。由于非滑移条件，所有的固体表面与粘性流体流动相互作用，所述非滑移条 件是流体和固体在其界面处具有相等的速度的物理要求。因此，流体流动被固定的固体表 面阻滞并且形成有限的、缓慢移动的边界层。对于将为薄的边界层而言，主体的雷诺数必须 大，即IO 3或更大。在这些条件下，边界层外的流动基本上是无粘性的并起到对层的驱动机 制的作用。
[0013] 现在参考图2,在图示中示出了典型的低速或层流边界层。对这样的在壁附近的流 向流动矢量变化的展示被称为速度分布。非滑移条件要求《(X，〇) =〇,如图所示，其中U是边 界层中的流动速度。速度随与壁的距离y的增加单调上升，最后与外部的、即无粘性的物流 速度平滑地沉X)汇合。在边界层中的任何点处，流体剪切应力τ正比于局部速度梯度，假 定为牛顿流体。在壁处的剪切应力的值是最重要的，原因是此剪切应力的值不仅与主体的 阻力有关，还往往也与它的传热有关。在边界层的边缘处，τ渐近地接近零。因为不存在 其中T=O的精确的位置，因此边界层的厚度δ通常被任意地定义为其中^o. 99游]点。
[0014] 最近，已经开发了利用纳米尺寸颗粒的技术。这些技术中的一些已经集中在通过 利用纳米粉体增加传导率来增加流体或气体的传热。此类纳米粉体通常由金属或陶瓷制 成。然而，使用这样的粉体通常会增加流体的粘度，导致增加的边界层，其趋向于减少潜在 的传热增益。
[0015] 通过许多不同的方式来制备纳米颗粒，可以将它们研磨、化学生长、通过反应过程 或其它过程从流体中沉淀。这些仅仅是在处于其起步阶段且快速发展的工业上制造纳米材 料的若干种方法。
[0016] 纳米颗粒有两个加工问题，其为：1.必然需要使用机械混合以使纳米颗粒聚集体 破碎并在整个流体中均匀地分散纳米颗粒；和2. -旦纳米颗粒被悬浮在整个流体中，则在 较长的时间内将这些颗粒保持在稳定的沉淀（prec ip i tat ion)中是成问题的，原因是纳米 颗粒的沉降以及再团聚的倾向。
[0017] 用于解决纳米材料分散和长期稳定的难处的技术包括高度专用化的表面活性剂、 表面涂层和一系列不同的机械混合过程。
[0018] 用于纳米分散的高度专用化的表面活性剂已在过去10年中形成了它们自己独特 的特长，并且表面活性剂领域的技术人员可以帮助针对不同的应用选择合适的表面活性 剂。
[0019] 此外，可产生表面效应的纳米涂层已经有了大的发展，所述表面效应例如为：疏水 性的、亲水性的、极性的、非极性的、带负电荷的和带正电荷的表面，其包括加入官能团。
[0020] 纳米颗粒悬浮在其中的典型的热传导流体包括如USPN 7, 390, 428中Davidson 等人在"Compositions with nano-particle size conductive material powder and methods of using same for transferring heat between a heat source and a heat S i n k "中所阐述的水、水性盐水、水与选自醇、二醇以及氨中的至少一种的混合物、烃、矿物 油、天然油、合成油、脂肪、蜡、醚、酯、二醇、选自烃、矿物油、天然油、合成油、脂肪、蜡、醚、酯 和二醇中的至少一种的卤衍生物、40硅酸酯、联苯、多芳化合物、盐-水合物、有机共晶、笼 形水合物、石蜡、无机和有机共晶混合物，以及它们的组合。
[0021] 在过去15年中，一些纳米材料的研宄已经涉及到流体中的热传导率。例如，USPN 6, 695, 974 中 Withers 的"Nano carbon materials for enhancing thermal transfer in fluids "教导了加入小至足以在流体中保持为悬浮状态的金属和氧化物纳米颗粒可大幅提 高该流体的热传导率并因此大幅增强传热。颗粒尺寸越小，提高纳米流体的热传导率的作 用越大，并且纳米颗粒的热传导率越高。例如，流体中的纳米颗粒铜的热传导率提供了比氧 化铝更高的热传导率，因为金属铜具有比氧化铝更高的热传导率。
[0022] 从表面穿过流体的边界层的传热也可以通过主体表面中的瑕疵来改进。举例而 言，几乎每个曾烹饪过意大利面的人都已经看过锅中的水沸腾，并已经注意到了一个奇特 的现象，即气泡趋向于平底锅的底部上的一个区域中持续地形成。通常的假设是，气泡形 成区域是炉子中的热点，或者是在平底锅中的较薄区域。这些假设似乎是合理的。然而，如 果在烹饪表面上转动或移动平底锅，则该气泡形成区域仍可能比其它区域更持续地产生气 泡。
[0023] 当观察气泡在平底锅的气泡形成区域中形成时，可能被遗漏的是，通常存在生成 使在该点或该区域中能够连续形成气泡的低表面能点的小的表面缺陷。
[0024] 在对流条件下，已经采用纳米流体进行了临界热通量增强的实验研宄，如由Ho Seon Ahn、Hyungdae Kim、HangJin Jo、SoonHo Kang、WonPyo Chang、Moo Hwan Kim 的 "Experimental study of critical heat flux enhancement during forced convective flow boiling of nanofluid on a short heated surface^, International Journal of 36(2010)375-384中所讨论的那样，其通过引用并入本文。
[0025] 之前的研宄已经表明，针对纳米流体的可能的临界热通量（CHF)提升机制是由于 通过含有纳米颗粒的微层（在加热表面处生长的气泡