二氧化钛纳米管阵列的制备及其强化传热应用

分别以无机酸性溶液(氟化铵和硫酸)和有机中性溶液(氟化铵和丙三醇)作为电解液,采用阳极氧化法在钛板表面制备出二氧化钛纳米管阵列,并以制得的纳米表面作为换热壁面,对其强化传热的性能进行实验研究。通过场发射扫描电镜表征其微观结构形貌,利用接触角测量仪检测表面的静态接触角。结果表明,有机中性溶液制备出的纳米管管径大、管壁厚,两种方法得到的纳米表面均具有亲水特性,接触角明显减小。池沸腾实验中,与未处理的钛板相比,纳米表面能够产生更多的汽化核心,有利于提高传热系数及临界热流密度。其中有机中性溶液条件下制备的纳米表面的传热系数和临界热流密度分别达到了10 kW/(m^2·℃)和330 kW/m^2,相比于未处理的钛板分别提高了66.7%和15.8%。

基于自润湿溶液的纳米表面传热性能

采用阳极氧化法在钛板表面制备出TiO_2纳米管阵列,并以其为加热表面。以含不同浓度丁醇的自润湿溶液为实验工质,考察了自润湿溶液浓度变化对系统临界热流密度和传热系数的影响,并从气泡行为的不同分析了两者耦合强化传热的机理。结果表明:相比于光滑表面和蒸馏水的常规组合,TiO_2纳米管表面和自润湿溶液耦合传热使得系统的临界热流密度大幅度提高,随自润湿溶液浓度的升高,传热系数依次降低。具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与1%(质量分数,下同)自润湿性溶液相耦合时,其最大传热系数和临界热流密度分别为11.963 kW·m^(-2)·℃^(-1)与623.706 kW·m^(-2),比常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。由气泡可视化可知,耦合传热在沸腾过程中产生的气泡细小,脱离速度快,不易团聚,合并后的气泡易破碎,易形成微气泡,从而使系统进入剧烈的微气泡沸腾状态。气泡的高脱离频率和特殊有效的液体补充路径,是提高系统传热系数和临界热流密度的主要原因。

纳米管表面和自润湿溶液相耦合的传热性能

采用阳极氧化法在光滑钛板表面制备了高度有序的纳米管表面,利用扫描电镜、原子力显微镜和全自动接触角测量仪表征了纳米管表面和光滑表面的形貌及表面特性,配制自润湿溶液并进行热物性测定,将不同的加热面(光滑表面和纳米管表面)与不同工质(蒸馏水和自润湿溶液)组合进行池沸腾实验,从不同角度对比了不同组合工况的传热效果,从微观和宏观两方面对纳米管表面和自润湿溶液耦合强化传热的机理进行了分析。结果表明,具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与自润湿性溶液耦合时,最大传热系数和临界热流密度较高,分别为11.963 kW/(m2?℃)和623.706 kW/m2,比光滑表面与蒸馏水的常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。纳米管表面和自润湿溶液对系统的最大传热系数和临界热流密度强化作用稍有不同,二者协调强化沸腾传热性能。纳米管表面具有更多的有效汽化核心、更大的粗糙度和更好的润湿性,结合自润湿溶液特殊的表面张力特性形成冷热液体微循环,促进冷热液体运动,及时进行二次润湿,大幅减小气泡脱离直径,提高其脱离频率,出现微气泡,增加了对系统的扰动,有效增强了传热性能,是提高系统最大传热系数和临界热流密度的主要原因。