[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种声空化和TiO₂纳米颗粒复合控制沸腾传热强化的方法，特别是应用于各种传热表面强化传热的方法及装置。

背景技术

沸腾传热因具有高的换热能力而被广泛应用于能源领域、动力、航空和航天等工程中，然而，先进设备热负荷的不断提高又促使传热学者继续寻求高效可靠的冷却手段。要有效控制沸腾传热过程就必须对其有全面和深入的了解。虽然传热学者通过实验获取了大量有关热流密度与壁面过热度的数据，及与沸腾传热密切相关的气泡的成核、长大和脱离规律，但是，对沸腾传热机理的全面理解和能动控制仍是传热学界亟待解决的问题。

声空化(Acoustic Cavitation)是指向液体中辐射声波时，在一定压强下液体中出现的微小汽泡随着声压的变化作脉动、振荡，或伴随有生长、收缩以致破灭的现象。声空化及其相关效应研究是目前国际上的热点前沿课题之一。声空化强化传热技术是近些年来新兴的，引起人们广泛关注的第三代有源强化传热技术之一，也是声空化技术在传热学领域的新应用。它从强化传热过程的根本着手，试图发展能直接强化传热机制的新型强化传热技术，从而实现在工程实际中有效强化传热过程。自2000年来，中国科学院的周定伟、胡学功和刘登瀛就声空化对水平铜管的单相对流和沸腾传热强化进行了大量的研究。研究表明，声空化对单相对流和沸腾传热均有显著的强化作用，单相对流传热时最大强化率可达3.9倍；空化气泡形成的高温高压及空化泡崩溃时形成的强压力脉冲，能够使壁面热边界层厚度减薄；当传热壁面处于高热流密度负荷时，空化气泡对沸腾换热的影响将直接施加在传热表面孔穴内气泡胚胎的成核、长大和破灭上，并使传热边界层受到强烈扰动，从而强化其传热传质过程；

国内外对声空化的研究仅限于对声空化机理的认识和其工程应用，而对声空化过程中所存在的传热问题却被国内外传热学者忽略了。采用声空化强化传热方法与五、六十年代仅依靠超声波使液体产生机械振动以达到强化传热的方法有重大区别。后者未涉及空化现象，仅仅是一种宏观的强化传热技术，而前者是利用超声波激活液体中的微小泡核并使之崩溃以释放出能量从而达到强化传热的目的。迄今为止，只有两个专利就声空化强化传热进行了报道，但都局限于单相对流传热。

当物质颗粒尺寸小到纳米量级(为千万分之一米至十亿分之一米)时，这种物质就被称为纳米材料。由于纳米材料在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料所不具备的特性，因此，在陶瓷增韧、磁性材料、电子材料和光学材料等领域有广阔的应用前景。目前，我国对纳米技术的研究工作主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、纳米电子学以及少量纳米技术的应用等方面，将纳米材料应用到传热领域尚未见有专利公开报道。

自2000年来，中国科学院工程热物理研究所的周定伟，胡学功，刘登瀛等就声空化强化水平铜管的单相对流和沸腾传热进行了系统的实验和理论研究，其成果在国内外多家杂志和会议上进行了报道。2004年，淮秀兰等人就声空化强化单相对流传热的系统和方法提出了专利申请。其专利号分别是：ZL200410058535.0和ZL200420064673.5。这两个专利仅就低热流密度(15kW/m²)下的传热强化情况进行了报道。而对于高于此热流密度的传热强化情况，本发明将予以报道。在实际的日常和工业生产中，我们更多遇到的是高热流密度下传热表面由于温度过高而需要进行传热强化。例如，根据美国半导体业界SIA的数据表明，大约3年后，高性能芯片的发热密度将要达到50W/cm²的程度。在此热流密度下，采用常规液体来进行冷却时壁面上出现的是沸腾传热而非单相对流传热。常规的冷却技术也已经不能满足高性能芯片的散热要求。

发明内容

本发明的目的是：

解决传热强化领域的沸腾传热强化及沸腾热滞后的问题，从而提供一种声空化和二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒复合控制沸腾传热的方法及装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样的：

一种声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法，其包括步骤：

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；