[发明专利]超临界流体的流态化强化传热方法及其传热工作介质和应用

说明书

技术领域

本发明涉及利用超临界流体的传热以及强化传热，对超临界流体，采用流态化的方法进行强化传热，以及一种超临界流体的流态化强化传热工作介质，通过改善超临界传热介质的流动状态达到强化传热的效果。

背景技术

流体作为传热工作介质被广泛的应用于热传递过程中，通过传热介质的流动使其从一处吸收热量后在另一处将热量放出，达到流态化传热的目的。

在传热工作介质传热过程中，一种主要方式是利用传热工作介质相变传热。例如在制冷的空调、制热的热泵中采用氟里昂或水、氨、烷烃等作为传热工作介质，这种介质在工作的过程中发生相变，由液态蒸发汽化成气态时吸收热量，由气态冷凝成为液态时则释放出热量，这类设备中通过压缩机及膨胀阀来控制系统的温度和压力，完成整个的循环；同样，在热管中，将工作介质封闭在一个密闭的容器内，热管内的传热工作介质也是发生液气相变的物质，在高温区的蒸发端传热工作介质由液体吸收热量而成为气体，在冷凝端气体放出热量而成为液体，从而实现热管的高效传热。

另一种主要方式是传热工作介质在工作过程中无相变发生，这种传热方式通常用在建筑供暖领域或化工取热或冷却过程中，以及发动机水冷系统中。水是最常用的传热工作介质，通过传热工作介质在供暖管道或换热管道及换热设备(例如暖气或换热器)内的流动，从高温处吸收热量使温度升高，在放热设备内放出热量温度降低，利用传热工作介质温度变化的显热进行传热。除水外，空气也常被作为传热介质使用。

在电子器件冷却系统，也常采用液体循环方式，将热量通过液体或气体或混合物将热量传递出外部实现散热和温度控制，这种传热工作介质可以是液体、气体或沸腾状态，也可以是气液混合物。

研究表明，在液体中加入纳米级的铜颗粒，利用纳米材料的纳米特性可以明显的改变液体的传热能力。但由于利用纳米特性来强化传热，要求铜颗粒必须加工成小于100nm的纳米材料，且因为纳米特性使得需要加入适当的分散剂才能分散于流体中，所以这种技术不但纳米颗粒的制造成本高，并且在制造过程中需要复杂的制造方法将纳米级颗粒混合到液体颗粒中，这种方法的高成本及制造过程的复杂障碍了技术的利用。

在航天和军事产品中，有比普通工业产品更高的传热性能要求，特别是对热控制的精度有更高的要求，所涉及的产品的应用的领域虽然不同，但其整体的热控制热管理的要求更高。

上述的所有传热的工作介质称为传热流体，为提高传热过程的传热效率以及传热介质的传热能力，通常是通过改善传热流体的流动状态或传热壁面，例如提高流速使超临界流体其达到湍流状态，或将换热设备的传热壁面加工上具有扰流作用的结构，来降低边界层的厚度。但这样会使传热设备的加工制造变得更加复杂，而且使流体的流动阻力显著增大，所以使得传热介质的传热能力的提高受到了限制。

超临界流体(SCF)指热力学状态处于“临界点”以上的流体；即在临界温度和临界压力以上的流体，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，密度大、扩散系数大、粘度小、渗透性好；在临界点附近流体的物理化学性质随温度在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的变化极其敏感，在不改变化学组和压力的变化极其敏感，在不改变化学组成的条件下，即可通过压力调节流体性质。超临界流体技术自上世纪超临界流体技术自上世纪70年代开始崭露年代开始崭露头角，以其环保、高效等显著优势轻松超头角，以其环保、高效等显著优势轻松超越传统技术，迅速渗透到传统技术，渗透到萃取分离、石油萃取分离、石油化工、化学工程、材料科学、生物技术化工、化学工程、材料科学、生物技术与医药、环境工程、纳米技术等诸多领域，并成为这些领域发展的主导之一。然而，超临界流体的传热性能的研究，仅限于将其作为一种流体进行研究，如作为一种流体，采用外界的特殊泵提供动力，来实现的流体传热；

1985年10月，Nitsche和Straub在航天飞机内一次实验中意外发现，在一个封闭的腔体内，流体的主流温度随壁温改变很快，系统趋于热平衡所用时间远低于原先估计所需的时间，注意此时的传热过程，导热非常微弱，对流受到抑制，辐射可以忽略，但热能仍较快地从壁面传给主流，所以这里面蕴涵着一种新的传热机理，此后，一些实验先后证实了这一奇异的传热现象，该传热现象被称为活塞效应，Zappoli指出“活塞效应实质上是一种热声效应”，是导热、对流和辐射以外的第四种传热机理。