碳納米管吸液芯高效熱管傳熱及流動(dòng)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究

應(yīng)用于武器系統(tǒng)、高速計(jì)算機(jī)、電動(dòng)汽車等的微電子器件隨著工作頻率和集成度的提高，其單位面積/體積的發(fā)熱量成指數(shù)上升，高出傳統(tǒng)商業(yè)化熱管臨界熱處理能力一個(gè)數(shù)量級(jí)。本項(xiàng)目旨在探討利用碳納米管陣列來(lái)替代傳統(tǒng)熱管內(nèi)銅基吸液芯的可行性，揭示碳納米管束作為熱管吸液芯的熱學(xué)特性和潤(rùn)濕特性，獲得碳納米管吸液芯熱管內(nèi)工作流體的氣液相變、質(zhì)量遷移速率、溫度分布以及臨界傳熱特性等。 項(xiàng)目主要（1）研究了作為新型熱管吸液芯的碳納米管束的綜合導(dǎo)熱特性、潤(rùn)濕特性以及吸液芯內(nèi)流體的流動(dòng)特性，提出了基于對(duì)應(yīng)態(tài)原理的碳納米管及管束熱導(dǎo)率的無(wú)量綱化表征新方法，獲得了適用于單壁碳納米管、多壁碳納米管甚至石墨的首個(gè)通用型熱導(dǎo)率方程，具有明顯的實(shí)用價(jià)值。（2）建立了碳納米管吸液芯在空隙尺寸下的潤(rùn)濕模型，對(duì)孔槽形狀、工質(zhì)接觸角以及尺度等因素進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)液面形狀只與氣液表面能和液固表面能的相對(duì)大小有關(guān)，而模型尺度減小時(shí)，毛細(xì)壓力呈指數(shù)增長(zhǎng)。結(jié)合碳納米管在熱管內(nèi)壁面的生長(zhǎng)隨機(jī)性特征，在整齊排列模型的基礎(chǔ)上，提出了碳納米管隨機(jī)位置分布的處理方法以及其潤(rùn)濕模型，獲得了微觀單元內(nèi)液體與蒸氣界面以及液體與CNT界面的接觸面積變化規(guī)律。（3）根據(jù)表面自由能最小化原理，提出了適用于吸液芯宏觀尺度下大量碳納米管陣列中的液體在表面張力的影響下的行為特性模型，給出了相比分子動(dòng)力學(xué)等方法更為簡(jiǎn)便易行的、數(shù)值解和分析解結(jié)合的計(jì)算方法。發(fā)現(xiàn)CNT作為吸液芯時(shí)其間距相比傳統(tǒng)多孔介質(zhì)的大幅縮小，可導(dǎo)致等效的接觸角更小，使得液體更容易擴(kuò)散，證明了碳納米管作為吸液芯在流體輸運(yùn)方面的優(yōu)越性。（4）探索了銅粉與碳納米管混合及燒結(jié)的技術(shù)工藝，在銅粉表面形成碳納米管隨機(jī)陣列，測(cè)量了混合燒結(jié)樣品的滲透率和最大毛細(xì)壓。（5）建立了基于格子Boltzmann方法的熱管吸液芯及熱管整體模型，模擬了微細(xì)尺度下碳納米管吸液芯、工作介質(zhì)（液體和氣體）以及熱管壁面之間熱、流、固三者的耦合流動(dòng)和傳熱特性。 通過(guò)本項(xiàng)目的研究，拓展了對(duì)不同工質(zhì)在碳納米管吸液芯微納通道內(nèi)的潤(rùn)濕特性和流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了對(duì)微納尺度下此類熱物理現(xiàn)象和機(jī)理的深入理解。所獲得的研究結(jié)論對(duì)碳納米管新型熱管技術(shù)的發(fā)展以及優(yōu)化運(yùn)行具有指導(dǎo)意義，為獲得穩(wěn)定可靠的新型超級(jí)傳熱器件進(jìn)而解決日益增長(zhǎng)的高密度集成電路或電子器件的散熱瓶頸問(wèn)題提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 2100433B

擬開(kāi)展十倍于傳統(tǒng)熱管傳熱能力的碳納米管芯高效熱管性能研究。探討利用碳納米管陣列來(lái)替代傳統(tǒng)熱管內(nèi)銅基吸液芯的可行性，揭示碳納米管束作為熱管吸液芯的熱學(xué)特性和潤(rùn)濕特性，定量獲得碳納米管吸液芯熱管內(nèi)工作流體的氣液相變、質(zhì)量遷移速率、溫度分布、軸向和徑向?qū)嵝阅?，以及沸騰傳熱特性等。揭示碳納米管結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、密度和布置方式對(duì)碳納米管吸液芯內(nèi)的毛細(xì)作用力與流動(dòng)阻力的優(yōu)化耦合關(guān)系。探討工質(zhì)及其熱物性對(duì)工作在常溫和低溫條件下的碳納米管吸液芯熱管工作機(jī)理和整體傳熱性能的影響，最終形成系統(tǒng)性的碳納米管熱管理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法和性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量能力。碳納米管熱管對(duì)于解決高熱流密度微電子電路與器件等應(yīng)用的散熱問(wèn)題具有重要意義。

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱設(shè)備的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項(xiàng)目將納米流體與不同強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱面相結(jié)合應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換、換熱器、電子元件冷卻等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中，對(duì)納米流體與強(qiáng)化傳熱面的耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。針對(duì)光熱轉(zhuǎn)換的腔體，本項(xiàng)目建立了納米流體流動(dòng)與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機(jī)理和納米顆粒在腔體內(nèi)的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)布朗力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間其它的作用力，在強(qiáng)化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利于強(qiáng)化傳熱，這對(duì)光熱轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)傳熱介質(zhì)及工況的選擇、傳熱機(jī)理的解釋及強(qiáng)化傳熱的方向提供了一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)換熱器，本項(xiàng)目配制了不同種類的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計(jì)的穩(wěn)定性檢測(cè)方法-透過(guò)比法，該方法是一種定量檢測(cè)方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目將配制的納米流體與各種強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱管相結(jié)合，研究了不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱面、納米顆粒組分對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與納米流體的結(jié)合大大提升了換熱效果，同時(shí)也大大增加了其流動(dòng)阻力。為了能夠客觀、綜合地評(píng)價(jià)這些強(qiáng)化技術(shù)，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對(duì)每一個(gè)物理問(wèn)題進(jìn)行模型建立及公式推導(dǎo)，過(guò)程繁瑣。本項(xiàng)目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評(píng)價(jià)相比，本項(xiàng)目的火用效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則圖適用范圍更廣，只要涉及到強(qiáng)化手段，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則均可適用，并且不再需要單獨(dú)推導(dǎo)和建模，這對(duì)于以后新的強(qiáng)化技術(shù)在能的品質(zhì)上的綜合評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)電子元件冷卻，本項(xiàng)目研究了不同的強(qiáng)化換熱面與納米流體的結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個(gè)臨界組分，這對(duì)于電子元器件冷卻表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、傳熱介質(zhì)及工況的選擇提供了一定的指導(dǎo)意義。

研究傳熱流體在具有三維翅片結(jié)構(gòu)的花瓣形翅片管外的螺旋流動(dòng)傳熱，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的流態(tài)顯示、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的測(cè)量，并結(jié)合所獲得的傳熱與壓降性能數(shù)據(jù)，分析傳熱強(qiáng)化機(jī)理、優(yōu)化翅片和螺旋角參數(shù)；建立傳熱流體在花瓣形翅片管外螺旋流動(dòng)傳熱的三維理論模型，提出求解模型的數(shù)值方法，探明場(chǎng)協(xié)同的機(jī)制。研究工作將有助于豐富和發(fā)展我國(guó)第三代傳熱技術(shù)及相關(guān)理論，并開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效換熱器，促進(jìn)我國(guó)節(jié)能和環(huán)保工作的發(fā)展。

高效強(qiáng)化傳熱管已在許多氮肥工業(yè)換熱設(shè)備中應(yīng)用，效果十分顯著，舉例如下 :

a.新安江化肥廠于1985年初在國(guó)內(nèi)首先采用螺旋槽管折流桿換熱器作為變換主換熱器，運(yùn)行8個(gè)月進(jìn)行標(biāo)定，傳熱系數(shù)由原光管折流板換熱器的104. 67 kJ/m²·h·℃提高到251. 21 kJ/m² "h℃，系統(tǒng)阻力降低了37%，噸氨電耗下隆100度左右。設(shè)備重量從11. 5噸減至6. 4噸，換熱面積從400 m²減至165 m²，設(shè)備造價(jià)由7. 5萬(wàn)元降至5. 5萬(wàn)元(當(dāng)時(shí)價(jià)格)。

b.益陽(yáng)地區(qū)氮肥廠的變換第一水加熱器，采用縮放管加普通折流桿支承結(jié)構(gòu)，傳熱面積由原設(shè)備的200 m²減至150 m²，設(shè)備重量減輕3噸，經(jīng)實(shí)際測(cè)定，每小時(shí)比原設(shè)備還多回收59. 87 X 10⁴kJ的熱量，一年節(jié)省的煤耗折價(jià)3萬(wàn)元。

c.益陽(yáng)地區(qū)氮肥廠的銅液氨冷器，原用設(shè)備的傳熱面積為150 m²，由于傳熱量不夠，常影響生產(chǎn)，采用橫紋槽管后，傳熱面積減為120 m²，而噸氨耗液氨從原來(lái)的200 kg下降至150 kg以下，噸氨節(jié)約冷量30. 14 X10³ kJ，每年減少冰機(jī)電耗在8萬(wàn)度以上，折價(jià)約1. 2萬(wàn)元。

d.沉江氮肥廠的變換主換熱器，原用設(shè)備的傳熱面積為706 m²，采用橫紋槽管和空心環(huán)支承的殼程結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)面積僅160 m²(實(shí)際選用200 m²)，比原設(shè)備節(jié)省無(wú)縫鋼管7. 86噸，投入實(shí)際運(yùn)行后證實(shí)能滿足生產(chǎn)要求。若按全國(guó)小氮肥廠年生產(chǎn)能力1200萬(wàn)噸推算，僅變換主換熱器一項(xiàng)，全國(guó)小氮肥廠可節(jié)省無(wú)縫鋼管4700噸，價(jià)值3千多萬(wàn)元，如計(jì)及殼體、封頭、管板等省工省料，其經(jīng)濟(jì)效益更大。2100433B