[发明专利]声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法及装置

权利要求书

1.一种声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法，其特征在于，包括步骤：

a)将超声换能器下末端插入密闭不锈钢腔体内液面以下处，通过超声波发生器调节声空化强度，并且从密闭不锈钢腔体顶部一开口加入纳米颗粒；

b)通过变压器调节加热器两端的电压，逐步增加加热器功率，待系统稳定后记录换热件和液体温度、加热器两端的电流、电压以及声空化强度的参数值；

c)如工作液体温度过高，则开启冷凝器；

d)当温度处于沸腾起始点附近时，要缓慢增加换热件功率，以换热件壁温升高1℃为准，以便观察温度过头的现象，直至进入充分发展的核态沸腾；

e)分别调节加热器的功率、纳米颗粒的浓度与超声换能器的参数，以得到不同工况下的声空化和纳米颗粒强化沸腾传热的数据；

f)通过下列计算得出换热件外表面上热流密度与壁面过热度的关系式：热流密度q″＝(UI)/S，其中，S为传热面积，U和I分别为通过换热件的电压和电流；壁面过热度为换热件表面的温度与工作液体的饱和温度之差，换热系数h＝q″/(Tw-T₁)，其中，q″为热流密度，Tw为换热件壁面温度，T₁为液体温度；

所述a)步，将超声换能器下末端插入密闭不锈钢腔体内液面以下处，是其下末端插入液体工质深度为0～70mm；

所述超声换能器，其工作频率为19.0±1.0kHz，超声换能器的声强为10～80W/cm²；

所述a)步，向密闭不锈钢腔体内添加纳米颗粒，为二氧化钛纳米颗粒，颗粒尺寸为0.01～200nm。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)步，密闭不锈钢腔体内添加纳米颗粒后，启动超声换能器至少20分钟，然后才开始b)步的传热测试。

3、一种如权利要求1所述的方法使用的装置，包括密闭不锈钢腔体、换热件、冷凝器、超声换能器、温度测量仪、液体工质、电源和计算机；其中，

一个密闭不锈钢腔体外表面覆有保温层，密闭不锈钢腔体内盛有一定体积介电液体，密闭不锈钢腔体壳体上有温度测量仪、观察孔、热电耦和泄液球阀，两换热件安装孔在密闭不锈钢腔体左右两侧壁上，超声换能器安装孔在密闭不锈钢腔体顶壁；

一换热件水平安装在密闭不锈钢腔体中间并浸没在液体中，两端分别位于密闭不锈钢腔体左右两侧壁上的安装孔内，密封固接；该换热件两端与电源电连接，电路中串有电流表、并联有电压表，且换热件一端外接热电偶和温度测量仪；该换热件由内外双层铜管嵌套而成，其内管内部装有圆棒状加热器，外管表面为传热表面；

一紫铜盘管状冷凝器浸没于液体中，盘管出/入口位于密闭不锈钢腔体顶壁，内通冷却水用来控制密闭不锈钢腔体内液体工质的温度；

一超声换能器竖直安装在密闭不锈钢腔体顶部安装孔内，并与超声波发生器相连，超声换能器下末端插入液体一定深度；

第一组热电偶位于液体中，外接温度测量仪；温度测量仪与计算机相连接；其特征在于，还包括纳米颗粒，且在密闭不锈钢腔体顶部设有一可关闭的开口和一压力测量装置；

超声换能器工作时产生超声波导致液体出现声空化现象，声空化产生的空化气泡能直接作用在换热件的光滑传热表面孔穴内的气泡胚胎上，诱发气泡胚胎成核，并使具有高传热效率的核沸腾提前发生，同时，一定量的纳米颗粒从密闭不锈钢腔体顶部一开口加入，二氧化钛纳米颗粒对沸腾传热的作用正好相反，纳米颗粒的添加使沸腾传热表面更光滑，推迟核沸腾的发生，从而降低传热效率；因而通过调节声空化的强度和纳米颗粒的浓度，能灵活控制沸腾传热的强化和弱化，从根本上实现强化沸腾和控制沸腾传热过程；

所述密闭不锈钢腔体顶部竖直安装的超声换能器，其下末端插入液体工质深度为0～70mm；超声换能器与换热件的传热表面之间有一间隙，超声换能器的下末端距铜管表面的垂直距离为1～300mm；

所述超声换能器，其工作频率为19.0±1.0kHz，超声换能器的声强为10～80W/cm²。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述换热件的外层铜管，其外表面是为机加工表面和/或用沙纸打磨过的表面，热流密度负荷为0～10⁶W/m²。