通過顆粒相互作用增強的邊界層傳熱的制作方法
【專利說明】通過顆粒相互作用增強的邊界層傳熱
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請要求2012年10月17日提交的、名為"ENHANCED BOUNDARY LAYER HEAT TRANSFER BY PARTICLE INTERACTION"的美國專利申請第13/13/654, 369號的優先權，該申 請的內容通過引用并入本文。 發明領域
[0002] 本申請涉及通過降低邊界層滯止傳熱分布（heat transfer profile)的作用來增 加熱流體的傳熱的方法。具體地，本發明涉及將具有專用的尺寸和形狀的顆粒加入流體中， 以增加傳熱。
[0003] 發明背景 進入流體中的傳熱涉及兩個主體之間的因溫差引起的能量傳遞。例如，用于加熱流體 的熱交換器設計通常由高傳導性材料，例如含有流經其內部的流體的金屬管構成，其中從 外部加熱所述管。熱量通過傳導穿過金屬管，通過傳導穿過邊界層進入液體，最后通過對流 進入本體流體中。
[0004] 改進傳熱的嘗試包括板框式熱交換器、殼管式熱交換器，以及一系列不同的翅片 構造以用于更有效地輻射或吸收熱量。
[0005] 另外，已經實現了基于流體流動的改進以加速傳熱。實例包括并流流動，其中流體 的兩個最熱點和最冷點按相同的方向在熱交換器中一起流動。與此相反，逆流裝置使流體 的最熱點和最冷點按相反的方向流動，這在兩種流體之間產生了最大溫度差。溫度差越大， 導致的熱交換器的傳熱效率越高。
[0006] 流體速度對傳熱具有顯著的影響。例如，層流流動傳熱機構具有低于端流流動熱 交換器的傳熱。因此，如果被加熱的材料能夠承受湍流而不降解而且如果湍流是經濟上可 行的，則相比于層流熱交換器，湍流傳熱交換器是優選的。
[0007] 所有流動的流體具有壁效應（wall effect)或邊界層效應，其中流體速度在與容 器（如管）壁的接觸點處大大降低。降低的流體速度阻礙了傳熱效率。
[0008] 邊界層的進一步解釋如下。空氣動力以復雜的方式取決于流體的粘度。當流體經 過物體移動時，鄰近于該物體的表面的分子粘著于該表面。在該物體表面的正上方的流動 的流體分子通過在其與粘著于該表面的流體分子的碰撞中變慢。這些變慢的分子進而減緩 了在它們正上方的流動。離該物體的表面的距離越大，受該物體的表面影響的碰撞的次數 越少。這種現象導致在該表面附近產生流體的薄層，在其中速度從該表面處的零變化至在 遠離該表面一段距離處的自由物流的值。因為該層出現在流體的邊界上，所以該薄層被稱 為邊界層。
[0009] 當物體穿過流體移動時，或當流體經過物體移動時，在該物體附近的流體分子被 擾亂并圍繞該物體移動。在流體和物體之間產生了空氣動力。這些力的量級取決于該物體 的形狀、該物體的速度、流經該物體的流體的質量。另外，流體的另外兩個重要性質影響著 空氣動力的量級，即，流體的粘度或粘性和可壓縮性或彈性。為了正確地模擬這些效應，航 空工程師使用相似度參數（similarity parameter)，其是這些效應與存在于問題中的其它 力的比率。如果兩個實驗對于此相似度參數具有相同的值，則該力的相對重要性被正確地 模擬。
[0010] 圖1示出了流向速度從自由物流到表面的變化。在現實中，效應是三維的。從在三 個維度中的質量守恒出發，在流向方向中的速度變化也引起了在其它方向中的速度變化。 如上所解釋的，存在垂直于表面的速度的小分量，此分量使在其上方的流動發生位移或移 動。邊界層的厚度可以被定義為該位移的量。位移厚度取決于雷諾數，所述雷諾數是慣性 力（抵抗變化或運動）對粘性力（重的和膠狀的）的比率，由以下等式給出： 雷諾數（Re)等于速度（V)乘以密度（r)乘以特性長度⑴除以粘度系數（mu)，即Re= V 氺 R 氺 I /mu。 toon] 如在圖1中可以看出，邊界層可以是層流（即分層的）或湍流（即無序的），這取 決于雷諾數的值。對于較低的雷諾數，邊界層是層流并且當其遠離壁移動時流向速度均勻 地變化，如圖1的左側上所示的。對于較高的雷諾數，邊界層是湍流并且流向速度的特性在 于邊界層內部的不穩定（即，隨時間變化）的旋流流動。外部流動對邊界層的邊緣做出反 應，正如其對物體的物理表面作出反應那樣。因此，該邊界層賦予任何物體"有效"的形狀， 該形狀通常與物理形狀略有不同。邊界層可能上提脫離（lift off)主體或與主體"分離" 并建立遠不同于物理形狀的有效形狀。因為相對于自由物流邊界層中的流動具有非常低的 能量，而且更容易被壓力變化驅動，所以發生了流動分離。流動分離是飛機機翼在大迎角下 失速的原因。在數學上，邊界層對升力的影響通過升力系數表達，并且對阻力的影響通過阻 力系數表達。
[0012] 流體流動在固體表面附近的部分是其中剪切應力是顯著的而且可不使用無粘性 流假設的部分。由于非滑移條件，所有的固體表面與粘性流體流動相互作用，所述非滑移條 件是流體和固體在其界面處具有相等的速度的物理要求。因此，流體流動被固定的固體表 面阻滯并且形成有限的、緩慢移動的邊界層。對于將為薄的邊界層而言，主體的雷諾數必須 大，即IO 3或更大。在這些條件下，邊界層外的流動基本上是無粘性的并起到對層的驅動機 制的作用。
[0013] 現在參考圖2,在圖示中示出了典型的低速或層流邊界層。對這樣的在壁附近的流 向流動矢量變化的展示被稱為速度分布。非滑移條件要求《(X，〇) =〇,如圖所示，其中U是邊 界層中的流動速度。速度隨與壁的距離y的增加單調上升，最后與外部的、即無粘性的物流 速度平滑地沉X)匯合。在邊界層中的任何點處，流體剪切應力τ正比于局部速度梯度，假 定為牛頓流體。在壁處的剪切應力的值是最重要的，原因是此剪切應力的值不僅與主體的 阻力有關，還往往也與它的傳熱有關。在邊界層的邊緣處，τ漸近地接近零。因為不存在 其中T=O的精確的位置，因此邊界層的厚度δ通常被任意地定義為其中^o. 99游]點。
[0014] 最近，已經開發了利用納米尺寸顆粒的技術。這些技術中的一些已經集中在通過 利用納米粉體增加傳導率來增加流體或氣體的傳熱。此類納米粉體通常由金屬或陶瓷制 成。然而，使用這樣的粉體通常會增加流體的粘度，導致增加的邊界層，其趨向于減少潛在 的傳熱增益。
[0015] 通過許多不同的方式來制備納米顆粒，可以將它們研磨、化學生長、通過反應過程 或其它過程從流體中沉淀。這些僅僅是在處于其起步階段且快速發展的工業上制造納米材 料的若干種方法。
[0016] 納米顆粒有兩個加工問題，其為：1.必然需要使用機械混合以使納米顆粒聚集體 破碎并在整個流體中均勻地分散納米顆粒；和2. -旦納米顆粒被懸浮在整個流體中，則在 較長的時間內將這些顆粒保持在穩定的沉淀（prec ip i tat ion)中是成問題的，原因是納米 顆粒的沉降以及再團聚的傾向。
[0017] 用于解決納米材料分散和長期穩定的難處的技術包括高度專用化的表面活性劑、 表面涂層和一系列不同的機械混合過程。
[0018] 用于納米分散的高度專用化的表面活性劑已在過去10年中形成了它們自己獨特 的特長，并且表面活性劑領域的技術人員可以幫助針對不同的應用選擇合適的表面活性 劑。
[0019] 此外，可產生表面效應的納米涂層已經有了大的發展，所述表面效應例如為：疏水 性的、親水性的、極性的、非極性的、帶負電荷的和帶正電荷的表面，其包括加入官能團。
[0020] 納米顆粒懸浮在其中的典型的熱傳導流體包括如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 "中所闡述的水、水性鹽水、水與選自醇、二醇以及氨中的至少一種的混合物、烴、礦物 油、天然油、合成油、脂肪、蠟、醚、酯、二醇、選自烴、礦物油、天然油、合成油、脂肪、蠟、醚、酯 和二醇中的至少一種的鹵衍生物、40硅酸酯、聯苯、多芳化合物、鹽-水合物、有機共晶、籠 形水合物、石蠟、無機和有機共晶混合物，以及它們的組合。
[0021] 在過去15年中，一些納米材料的研宄已經涉及到流體中的熱傳導率。例如，USPN 6, 695, 974 中 Withers 的"Nano carbon materials for enhancing thermal transfer in fluids "教導了加入小至足以在流體中保持為懸浮狀態的金屬和氧化物納米顆粒可大幅提 高該流體的熱傳導率并因此大幅增強傳熱。顆粒尺寸越小，提高納米流體的熱傳導率的作 用越大，并且納米顆粒的熱傳導率越高。例如，流體中的納米顆粒銅的熱傳導率提供了比氧 化鋁更高的熱傳導率，因為金屬銅具有比氧化鋁更高的熱傳導率。
[0022] 從表面穿過流體的邊界層的傳熱也可以通過主體表面中的瑕疵來改進。舉例而 言，幾乎每個曾烹飪過意大利面的人都已經看過鍋中的水沸騰，并已經注意到了一個奇特 的現象，即氣泡趨向于平底鍋的底部上的一個區域中持續地形成。通常的假設是，氣泡形 成區域是爐子中的熱點，或者是在平底鍋中的較薄區域。這些假設似乎是合理的。然而，如 果在烹飪表面上轉動或移動平底鍋，則該氣泡形成區域仍可能比其它區域更持續地產生氣 泡。
[0023] 當觀察氣泡在平底鍋的氣泡形成區域中形成時，可能被遺漏的是，通常存在生成 使在該點或該區域中能夠連續形成氣泡的低表面能點的小的表面缺陷。
[0024] 在對流條件下，已經采用納米流體進行了臨界熱通量增強的實驗研宄，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中所討論的那樣，其通過引用并入本文。
[0025] 之前的研宄已經表明，針對納米流體的可能的臨界熱通量（CHF)提升機制是由于 通過含有納米顆粒的微層（在加熱表面處生長的氣泡