石墨烯相关纳米流体的沸腾换热性能实验研究

作     者：徐静雅 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋印东

授予年度：2021年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：石墨烯 功能化石墨烯 纳米流体 沸腾换热 

摘      要：本文采用带冷凝回流的闭合回路沸腾换热实验装置,对石墨烯相关纳米流体的沸腾换热性能进行研究,具体包括临界热流密度(CHF)和沸腾换热系数(HTC)等,并利用高速摄像机对汽泡核化、生长、脱离形态进行可视化研究;采用扫描电子显微镜(SEM)研究加热表面沉积形貌;利用接触角测量仪来研究不同液体的接触角,并尝试用汽泡形态、表面形貌和接触角来探究影响纳米流体沸腾换热性能的因素。0.0005wt%、0.001wt%、0.002wt%和0.003wt%的Si O、GNs、Si O/GNs、FeO-GNs、FeO-GNs/AlO和FeO-GNs/Si O纳米流体的沸腾换热性能均高于超纯水。Si O和GNs纳米流体质量浓度为0.002wt%时沸腾换热性能最佳,CHF分别为135.89W/cm和151.73W/cm,比超纯水CHF(110.09W/cm)高出23.4%和37.8%;最大HTC分别为5.90W/(cm·K)和7.12W/(cm·K),比超纯水最大HTC(5.10W/(cm·K))高15.7%和39.6%。Si O/GNs、FeO-GNs、FeO-GNs/AlO和FeO-GNs/Si O纳米流体的CHF和最大HTC随着质量浓度增加而增大,在0.003wt%达到最大值,CHF分别为163.94W/cm、170.21W/cm、180.23W/cm和185.29W/cm,比超纯水CHF高出48.9%、54.6%、63.7%和68.3%;最大HTC分别为8.17W/(cm·K)、8.78W/(cm·K)、9.73W/(cm·K)和10.23W/(cm·K),比超纯水最大HTC高出60.2%、72.2%、90.8%和100.5%。不同纳米颗粒对沸腾换热性能影响较大,而且随着质量浓度增加,不同纳米流体的沸腾换热性能增长的幅度有较大差异。对于功能化石墨烯纳米流体,当质量浓度低于0.002wt%时,纳米流体沸腾换热性能受浓度影响显著;高于0.002wt%时,受浓度影响较小。相同浓度时,FeO-GNs/AlO和FeO-GNs/Si O混合纳米流体沸腾换热性能差距小,但两者沸腾换热性能明显高于单独的FeO-GNs纳米流体。本文通过表面形貌、接触角和汽泡形态探究了不同纳米流体影响沸腾换热性能的因素。纳米流体在沸腾过程中不断改变加热表面的原始形貌,纳米颗粒沉积使原始光滑表面增加了许多不规则的凹凸结构,增大汽化核心密度,从而提高CHF和HTC。其中,GNs沉积形成的二维层状结构显著提高了加热表面导热性,能使局部热点温度降低;FeO-GNs纳米颗粒在加热表面的沉积构成很多缝隙和凹槽,形成了密集的多孔介质,显著地增大了表面粗糙度;与FeO-GNs纳米流体相比,FeO-GNs与氧化物混合纳米流体沉积具有更多的球状小颗粒,形成了更多的凹槽和缝隙,蜂窝状结构的空隙密度更大,使汽化核心点更多,加热表面与纳米流体接触的表面积大幅增加,毛细吸液作用更强。Si O、FeO-GNs及其与氧化物混合纳米流体沸腾后的加热表面接触角减小,亲水性增强,延长了液体层干涸时间,从而能够提高CHF,但GNs沉积表面亲水性降低而沸腾换热性能增强的现象说明润湿性不是影响沸腾换热性能的决定性因素。此外,纳米流体沸腾后的沉积使加热表面形成了更多汽化核心点,割裂汽泡,从而改变汽泡大小,以及聚集在汽泡底部的纳米颗粒增大了汽泡底部液体层内的结构分离压力,使汽泡直径减小,提高汽泡生成和脱离频率,也是HTC和CHF增大的原因之一。