下方）的蒸发形成的薄纳米颗粒吸着 层引起的流体润湿表面的能力中的改进。最近的研宄已经致力于纳米流体在使用电加热的 圆形不锈钢管中的对流流动沸腾。该研宄报道了具有氧化铝、金刚石和氧化锌的纳米流体 的流动沸腾临界热通量中的显著增加，在管上的接触角降低以控制纳米流体的浓度。此外， 他们发现，纳米流体的浓度越高，该临界热通量的提升越高，而在结垢表面上的静态接触角 越低。从实验总结出了由于纳米颗粒沉积层引起的改进的表面润湿性导致在纳米流体的对 流流动沸腾期间显著的临界热通量提升。该发现与先前的池沸腾（pool boiling)研宄结 果一致。
[0026] 早期的研宄表明，经由在表面上滞止的纳米颗粒膜的纳米镀现象，通过使用纳米 流体小的表面变化特性增加了的传热。尽管由电加热线圈引起的表面镀现象是偶然的，但 是该实验产生了更大的传热。
[0027] -种假说是，对于沸腾传热性能的变化的似乎合理的原因是纳米颗粒沉积到表面 上。在纳米流体沸腾试验后，通过表面粗糙度测量和随之而来的成核位点密度的变化来确 认沉积。作为在纳米流体中预沸腾结果的纳米颗粒结垢的加热器上的纯水的池沸腾临界热 通量实验展示出一个有趣的结果，即对于即使浸没在纯水中的纳米颗粒结垢表面而言，观 察到在纳米流体中相同量级的显著临界热通量增加。
[0028] 用于提高临界热通量的该解决方案似乎很简单，即只在用于商业用途的管道/和 管材上产生纳米镀表面。但是此解决方案存在两个问题。第一个问题是生产纳米复合表面 并不是有成本效益的。第二个问题涉及的事实是，在实际应用中，传热表面趋向于形成结 垢，这会降低纳米镀的效率。
[0029] 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 /oaraa/ /7Zor 36(2010)375-384(其通过引用并入本文）所陈述的那样，发 现将微少量（按体积计小于〇. 001% )的氧化铝纳米颗粒加入至传统的冷却液体可以显著 地使临界热通量（CHF)增加多达200%。在纳米流体中的大的临界热通量增加归因于由通 过流体沸腾进行的纳米颗粒的沉积诱导的表面润湿性效应。
[0030] 最后，与将热量传导至流动流体中有关的困难已被归因于当将热量传导入或传导 出气体时紧密粘附于金属表面的气体"膜"的存在。如在Peskin的美国专利第2, 690, 051 号中可见，已经进行了各种尝试来克服穿过该膜的热量传导的阻力。然而，这些尝试主要由 用于增加在被加热表面附近的气体的速度和湍流的权宜之计组成。虽然通过此方式获得一 些成果，但是该膜仍然是传热的最大障碍。
[0031] 发明概述 本申请的发明涉及一种用于将纳米至微米尺寸的动力边界层混合颗粒引入流体或气 体中以将边界层从传导传热膜转变为对流传热膜（从液体到气相和从气相到液体）的突破 性技术。本发明将在以液体或气相流动的流体的层流或湍流区域中起作用。
[0032] 本发明涉及通过产生连续的运动颗粒膜在从液体到气体和从气体到液体的整个 传热阶段动力学混合边界层膜。
[0033] 已经存在帮助解决纳米材料分散和长期稳定的固有难处的多种技术，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。
[0034] 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。
[0035] 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：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。
[0036] 本发明的技术可以在表面活性剂存在下与表面涂层一起使用，但提供了纳米分散 的益处，并不是通过使用这些加工助剂，取而代之的是通过在边界层中相互作用以促进动 力混合的颗粒的独特的表面特性。
[0037] 纳米颗粒悬浮在其中的并且可以从本发明的技术中获益的典型的热传导流体并 不限定于这些组。例如，美国专利第7, 390, 428号教导了流体可由以下组成：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。
[0038] 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，美国 专利第6, 695, 974号教导了其已经证明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，并且所述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。
[0039] -个涉及穿过边界层的传热的实例应用是典型的空调循环。典型的蒸发循环的工 作如下：首先，压缩机压缩冷的制冷剂气体，使其成为热的高压制冷剂气体。其次，热气体流 经一组盘管，从而使它可以耗散其热量，并且其冷凝成液体。第三，所述液体流经膨胀阀，并 在该过程中其蒸发成为冷的低压气体。第四，冷气体流经一组允许气体吸收热量并冷却建 筑物内的空气的盘管。
[0040] 相比于其在气体的压缩阶段，该边界层更主要地存在于冷凝阶段。存在边界层，其 存在是由整个盘管系统的表面上引入了润滑油引起，因此产生搅动的颗粒的滚动和翻滚将 产生穿过该膜的更好的传热。工业制冷系统中使用冷水系统，其中动力边界层混合颗粒不 仅可以被引入制冷剂侧，还可以被引入水侧，增加了工业单元的两侧的传递效率。
[0041] 动力混合颗粒促讲成核 被混入液体中的高度专用化的颗粒的引入将在边界层的内部产生成核位点，并生成低 表面能区域，以极大地增强传热。
[0042] 下面的两种流体动力学例证可显示表面特性如何可用于产生用于快速成核位点 的低表面能区域，因为气体和液体自然地围绕结构体和颗粒移动并将其包裹。
[0043] 1.飞机机翼被设计成通过由机翼的几何形状造成的流经机翼的空气的不等形变 产生升力。空气缺陷在机翼的顶部产生低压区域并在机翼的下方产生高压区域，这形成了 升力。
[0044] 2.沿河流向下流动并流经光滑的岩石的水将几乎不产生湍流，而流经具有陡峭 的边缘、空腔、突起、呈锯齿状表面等的岩石的河流将产生大量的湍流。
[0045] 湍流产生允许成核发生的低表面能区域。本发明的方法致力于沿"河流"滚动的 产生成核位点的具有动态表面特性的"岩石"，其中所述"河流"是边界层且颗粒被邻近于所 述边界层的较高速度分布所推动。
[0046] 被混入液体中的高度专用化的颗粒的引入将在边界层的内部产生成核位点，并生 成低表面能区域，以极大地提高传热。
[0047] 如本申请人的名为"Cellular Foam Additive"的美国专利申请公开第 2012/0029094号（通过引用并入本文）中所述的，本申请人教导了加入纳米和微米尺寸的 三维结构动力混合颗粒在混合过程中在塑料中产生微米和纳米尺寸的机械开孔。这些开孔 允许气体分散到聚合物中，由此大大减少混合时间和气体溶解度的影响。该发明的三维动 力混合颗粒可被定制成具有多种尺寸和形状，其中结构特性诸如叶片长度、空腔深度、颗粒 空隙尺寸、伸出构件尺寸、刺样结构长度等可以在泡沫体中生成所需尺寸的孔（cell)。 [0048] 当将动力混合颗粒加入到穿过接收外部热量的容器流动的流体时，边界层膜厚度 在流体的沸腾和冷凝期间发生变化。动力混合颗粒被捕获在流动流体的边界层内并连续地 产生搅动。一旦通过蒸发除去边界层膜，则颗粒通过生成的气体保持为悬浮状态和其相关 的加速的速度分布，直至冷凝阶段。在冷凝阶段，这些颗粒在边界层膜形成时在边界层膜中 被再次捕获，由此产生边界层膜的连续搅动。
[0049] 通过定制被引入流体中的颗粒的表面特性，流体动力学和颗粒物理学可通过颗粒 的表面特性获得增强，以促进边界层中连续的相互作用直至膜厚度通过蒸发减少。一旦流 体已被蒸发，则颗粒不再影响传热。
[0050] 本发明的一个目的是提供在气体中传热的改进方法，由此热量可以通过辐射以及 对流而被传播并由此可明显地减少膜对热量流动的阻力。
[0051] 其中边界层膜可通过蒸发除去的应用的实例是在用于电力生产的涡轮机系统中。 当流动流体被转变为两相流动时，在流动液体中形成边界层。液体的蒸发产生蒸汽。该蒸汽 的冷凝再次将蒸汽转变成液体。在此过程循环期间，因热力学变化诸如受热气化、因相变引 起的压力差以及受温度影响的粘度变化导致边界层膜厚度发生了变化。在此过程中，硬水 沉积物就有机会在整个系统中形成，这大大降低了传热并限制了流体和气体的流动从而导 致用于产生能量的成本增加。本发明的动力边界层混合颗粒在边界层中和在表面上连续地 滚动，以产生具有减少钙化沉积物的形成的可能性的抛光效果，这将节约能源和保护设备。
[0052] 许多加工设施使用用于加热和冷却的流体。这些设施通常面临与形成的导致传热 效果差并最终导致设备的损失的沉积物相关联的同样的问题。通过选择具有化学稳定性和 合适的颗粒尺寸的合适的颗粒材料，高度专用化的动力混合颗粒可在正在使用的任何流体 中起作用。
[0053] 动力混合颗粒搅动边界层 作为用于解释动力混合的一般实例，认为在软材料上滚动的硬球在移动的凹陷中行 进。软材料在前面被压缩且在后面回弹。当所述材料是完全弹性时，则在压缩期间储存的 能量通过软材料在其后面归还给该球。然而，实际材料并不是完全弹性的，因此，发生能量 耗散，这产生动能，即滚动。根据定义，流体为不能经受住静态剪切应力的材料连续流。与 以可恢复变形对剪切应力作出响应的弹性固体不同，流体以不可恢复的流动作出响应。该 不可恢复的流动可用作用于在边界层中的动力机械混合的驱动力。通过利用滚动的原理， 动摩擦和粘着在非滑移区的表面上的增加的流体产生粘附力，而邻近于边界层的速度对颗 粒产生惯性力。惯