下方）的蒸發形成的薄納米顆粒吸著 層引起的流體潤濕表面的能力中的改進。最近的研宄已經致力于納米流體在使用電加熱的 圓形不銹鋼管中的對流流動沸騰。該研宄報道了具有氧化鋁、金剛石和氧化鋅的納米流體 的流動沸騰臨界熱通量中的顯著增加，在管上的接觸角降低以控制納米流體的濃度。此外， 他們發現，納米流體的濃度越高，該臨界熱通量的提升越高，而在結垢表面上的靜態接觸角 越低。從實驗總結出了由于納米顆粒沉積層引起的改進的表面潤濕性導致在納米流體的對 流流動沸騰期間顯著的臨界熱通量提升。該發現與先前的池沸騰（pool boiling)研宄結 果一致。
[0026] 早期的研宄表明，經由在表面上滯止的納米顆粒膜的納米鍍現象，通過使用納米 流體小的表面變化特性增加了的傳熱。盡管由電加熱線圈引起的表面鍍現象是偶然的，但 是該實驗產生了更大的傳熱。
[0027] -種假說是，對于沸騰傳熱性能的變化的似乎合理的原因是納米顆粒沉積到表面 上。在納米流體沸騰試驗后，通過表面粗糙度測量和隨之而來的成核位點密度的變化來確 認沉積。作為在納米流體中預沸騰結果的納米顆粒結垢的加熱器上的純水的池沸騰臨界熱 通量實驗展示出一個有趣的結果，即對于即使浸沒在純水中的納米顆粒結垢表面而言，觀 察到在納米流體中相同量級的顯著臨界熱通量增加。
[0028] 用于提高臨界熱通量的該解決方案似乎很簡單，即只在用于商業用途的管道/和 管材上產生納米鍍表面。但是此解決方案存在兩個問題。第一個問題是生產納米復合表面 并不是有成本效益的。第二個問題涉及的事實是，在實際應用中，傳熱表面趨向于形成結 垢，這會降低納米鍍的效率。
[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(其通過引用并入本文）所陳述的那樣，發 現將微少量（按體積計小于〇. 001% )的氧化鋁納米顆粒加入至傳統的冷卻液體可以顯著 地使臨界熱通量（CHF)增加多達200%。在納米流體中的大的臨界熱通量增加歸因于由通 過流體沸騰進行的納米顆粒的沉積誘導的表面潤濕性效應。
[0030] 最后，與將熱量傳導至流動流體中有關的困難已被歸因于當將熱量傳導入或傳導 出氣體時緊密粘附于金屬表面的氣體"膜"的存在。如在Peskin的美國專利第2, 690, 051 號中可見，已經進行了各種嘗試來克服穿過該膜的熱量傳導的阻力。然而，這些嘗試主要由 用于增加在被加熱表面附近的氣體的速度和湍流的權宜之計組成。雖然通過此方式獲得一 些成果，但是該膜仍然是傳熱的最大障礙。
[0031] 發明概述 本申請的發明涉及一種用于將納米至微米尺寸的動力邊界層混合顆粒引入流體或氣 體中以將邊界層從傳導傳熱膜轉變為對流傳熱膜（從液體到氣相和從氣相到液體）的突破 性技術。本發明將在以液體或氣相流動的流體的層流或湍流區域中起作用。
[0032] 本發明涉及通過產生連續的運動顆粒膜在從液體到氣體和從氣體到液體的整個 傳熱階段動力學混合邊界層膜。
[0033] 已經存在幫助解決納米材料分散和長期穩定的固有難處的多種技術，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。
[0034] 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。
[0035] 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：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。
[0036] 本發明的技術可以在表面活性劑存在下與表面涂層一起使用，但提供了納米分散 的益處，并不是通過使用這些加工助劑，取而代之的是通過在邊界層中相互作用以促進動 力混合的顆粒的獨特的表面特性。
[0037] 納米顆粒懸浮在其中的并且可以從本發明的技術中獲益的典型的熱傳導流體并 不限定于這些組。例如，美國專利第7, 390, 428號教導了流體可由以下組成：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。
[0038] 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，美國 專利第6, 695, 974號教導了其已經證明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，并且所述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。
[0039] -個涉及穿過邊界層的傳熱的實例應用是典型的空調循環。典型的蒸發循環的工 作如下：首先，壓縮機壓縮冷的制冷劑氣體，使其成為熱的高壓制冷劑氣體。其次，熱氣體流 經一組盤管，從而使它可以耗散其熱量，并且其冷凝成液體。第三，所述液體流經膨脹閥，并 在該過程中其蒸發成為冷的低壓氣體。第四，冷氣體流經一組允許氣體吸收熱量并冷卻建 筑物內的空氣的盤管。
[0040] 相比于其在氣體的壓縮階段，該邊界層更主要地存在于冷凝階段。存在邊界層，其 存在是由整個盤管系統的表面上引入了潤滑油引起，因此產生攪動的顆粒的滾動和翻滾將 產生穿過該膜的更好的傳熱。工業制冷系統中使用冷水系統，其中動力邊界層混合顆粒不 僅可以被引入制冷劑側，還可以被引入水側，增加了工業單元的兩側的傳遞效率。
[0041] 動力混合顆粒促講成核 被混入液體中的高度專用化的顆粒的引入將在邊界層的內部產生成核位點，并生成低 表面能區域，以極大地增強傳熱。
[0042] 下面的兩種流體動力學例證可顯示表面特性如何可用于產生用于快速成核位點 的低表面能區域，因為氣體和液體自然地圍繞結構體和顆粒移動并將其包裹。
[0043] 1.飛機機翼被設計成通過由機翼的幾何形狀造成的流經機翼的空氣的不等形變 產生升力。空氣缺陷在機翼的頂部產生低壓區域并在機翼的下方產生高壓區域，這形成了 升力。
[0044] 2.沿河流向下流動并流經光滑的巖石的水將幾乎不產生湍流，而流經具有陡峭 的邊緣、空腔、突起、呈鋸齒狀表面等的巖石的河流將產生大量的湍流。
[0045] 湍流產生允許成核發生的低表面能區域。本發明的方法致力于沿"河流"滾動的 產生成核位點的具有動態表面特性的"巖石"，其中所述"河流"是邊界層且顆粒被鄰近于所 述邊界層的較高速度分布所推動。
[0046] 被混入液體中的高度專用化的顆粒的引入將在邊界層的內部產生成核位點，并生 成低表面能區域，以極大地提高傳熱。
[0047] 如本申請人的名為"Cellular Foam Additive"的美國專利申請公開第 2012/0029094號（通過引用并入本文）中所述的，本申請人教導了加入納米和微米尺寸的 三維結構動力混合顆粒在混合過程中在塑料中產生微米和納米尺寸的機械開孔。這些開孔 允許氣體分散到聚合物中，由此大大減少混合時間和氣體溶解度的影響。該發明的三維動 力混合顆粒可被定制成具有多種尺寸和形狀，其中結構特性諸如葉片長度、空腔深度、顆粒 空隙尺寸、伸出構件尺寸、刺樣結構長度等可以在泡沫體中生成所需尺寸的孔（cell)。 [0048] 當將動力混合顆粒加入到穿過接收外部熱量的容器流動的流體時，邊界層膜厚度 在流體的沸騰和冷凝期間發生變化。動力混合顆粒被捕獲在流動流體的邊界層內并連續地 產生攪動。一旦通過蒸發除去邊界層膜，則顆粒通過生成的氣體保持為懸浮狀態和其相關 的加速的速度分布，直至冷凝階段。在冷凝階段，這些顆粒在邊界層膜形成時在邊界層膜中 被再次捕獲，由此產生邊界層膜的連續攪動。
[0049] 通過定制被引入流體中的顆粒的表面特性，流體動力學和顆粒物理學可通過顆粒 的表面特性獲得增強，以促進邊界層中連續的相互作用直至膜厚度通過蒸發減少。一旦流 體已被蒸發，則顆粒不再影響傳熱。
[0050] 本發明的一個目的是提供在氣體中傳熱的改進方法，由此熱量可以通過輻射以及 對流而被傳播并由此可明顯地減少膜對熱量流動的阻力。
[0051] 其中邊界層膜可通過蒸發除去的應用的實例是在用于電力生產的渦輪機系統中。 當流動流體被轉變為兩相流動時，在流動液體中形成邊界層。液體的蒸發產生蒸汽。該蒸汽 的冷凝再次將蒸汽轉變成液體。在此過程循環期間，因熱力學變化諸如受熱氣化、因相變引 起的壓力差以及受溫度影響的粘度變化導致邊界層膜厚度發生了變化。在此過程中，硬水 沉積物就有機會在整個系統中形成，這大大降低了傳熱并限制了流體和氣體的流動從而導 致用于產生能量的成本增加。本發明的動力邊界層混合顆粒在邊界層中和在表面上連續地 滾動，以產生具有減少鈣化沉積物的形成的可能性的拋光效果，這將節約能源和保護設備。
[0052] 許多加工設施使用用于加熱和冷卻的流體。這些設施通常面臨與形成的導致傳熱 效果差并最終導致設備的損失的沉積物相關聯的同樣的問題。通過選擇具有化學穩定性和 合適的顆粒尺寸的合適的顆粒材料，高度專用化的動力混合顆粒可在正在使用的任何流體 中起作用。
[0053] 動力混合顆粒攪動邊界層 作為用于解釋動力混合的一般實例，認為在軟材料上滾動的硬球在移動的凹陷中行 進。軟材料在前面被壓縮且在后面回彈。當所述材料是完全彈性時，則在壓縮期間儲存的 能量通過軟材料在其后面歸還給該球。然而，實際材料并不是完全彈性的，因此，發生能量 耗散，這產生動能，即滾動。根據定義，流體為不能經受住靜態剪切應力的材料連續流。與 以可恢復變形對剪切應力作出響應的彈性固體不同，流體以不可恢復的流動作出響應。該 不可恢復的流動可用作用于在邊界層中的動力機械混合的驅動力。通過利用滾動的原理， 動摩擦和粘著在非滑移區的表面上的增加的流體產生粘附力，而鄰近于邊界層的速度對顆 粒產生慣性力。慣