粘彈性流體基銅納米流體的製備方法

2023-05-09 16:18:46

專利名稱：粘彈性流體基銅納米流體的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米流體的製備方法。
背景技術：
隨著世界科學技術的急速發展和經濟的增長，人類對能源的需求量大大增加，然而目前已探測出來的能源資源有限，這使得能源已經成為制約科學技術發展和經濟增長的最大瓶頸。社會的可持續發展需要我們珍惜能源，節約能源。目前社會能源的損耗主要大量集中在眾多工業領域中。這些領域中的流體的流動以及熱量的交換會消耗大量的能量，主要體現在:系統的流動阻力大大增加了泵的功率消耗，增加了用電量；介質間的熱量的傳遞效率直接影響著能量消耗的大小，較低傳熱效率同樣會帶來大量的能量損失。因此，如何在工業系統中實現流體介質的流動阻力降低以及換熱部件的換熱效率提高是實現節約能源的兩個重要的問題。

在流動阻力減少的研究方面，英國學者Toms最先發現粘彈性流體在紊流狀態下具有使流動阻力降低的現象。這種粘彈性流體主要是指在水中加入某些物質使得流體的物性發生改變，通過改變流動過程中的流動結構來達到流動阻力降低的效果。這種粘彈性流體的減阻現象主要應用於石油輸運過程、高層建築消防車噴水過程、流動循環系統中等。具有實現方法簡單、成本低、效率高等優點。然而，由於這種粘彈性流體的本身特性，當流動系統中存在換熱部件時，這種流體會在很大程度上消弱部件的換熱能力，且往往換熱的惡化程度大於流動的減阻程度。正由於這個方面的缺點，極大的限制了粘彈性流體在流體流動減阻的應用範圍。在傳熱強化方面，傳統的強化傳熱方法主要從強化換熱表面(特殊結構表面、粗糙表面、內肋片、縮放管、螺紋管和內插件等)和通過外力輔助擾動(振動、攪拌、抽吸、脈電和電暈風等)兩個方面著手。然而，隨著科學技術的不斷發展，熱交換系統的傳熱負荷及傳熱強度日益增大，這嚴重製約了高集成度的電子晶片的進一步研發，在航空航天、核能等高新技術產業也出現了類似的難題。因此，傳統的強化傳熱方式很難適用於這些特殊的領域。近些年來，學術界出現了一種新型的增大流動工質換熱性能的方法，即在傳統的流體(水、油、乙二醇)中添加具有高導熱係數的納米級顆粒，並添加一定量的穩定劑，以形成納米流體。由於納米流體體系中存在高導熱係數的納米級顆粒，進而使得靜態下納米流體的導熱係數相比基液出現明顯增大效果。將這種流體應用到流動換熱系統中，同樣能在很大程度上提高換熱部件的換熱能力。目前，已有一些學者將納米流體應用到電子元件的冷卻、高能量雷射發射器的冷卻、製冷空調等實際領域中。然而，當將這種流體應用到較大的循環系統中時，由於固體顆粒的加入，會使得流體在流動過程的阻力增大，進而增大水泵的功耗，增加用電量。這也在一定程度上限制了納米流體的廣泛應用。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有的納米流體體系中由於固體顆粒的加入，使得流體在流動過程的阻力增大的技術問題，提供了一種粘彈性流體基銅納米流體的製備方法。流動系統中存在換熱部件時，這種流體會在很大程度上消弱部件的換熱能力，且往往換熱的惡化程度大於流動的減阻程度。粘彈性流體基銅納米流體的製備方法如下:一、將十六烷基三甲基氯化銨加入蒸餾水中攪拌10分鐘至完全溶解，靜置12小時，得到質量濃度為0.02% 0.12%的十六烷基三甲基氯化銨水溶液；二、將納米銅粉加入步驟一得到的十六烷基三甲基氯化銨水溶液中，在超聲波頻率為40kHz、溫度為20 25°C的條件下超聲振蕩24小時，然後加入水楊酸鈉，得到混合液，混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.02% 0.12%，混合液中納米銅粉的體積分數濃度為
0.25 1.0%，攪拌，得到粘彈性流體基銅納米流體。

本發明製備的粘彈性流體基銅納米流體可以應用的實際系統管徑為0.5cm 50cm，流動的雷諾數範圍為5000 80000。本發明的粘彈性流體基銅納米流體能克服粘彈性流體的傳熱惡化和納米流體的流動增阻的缺點，達到在流動傳熱系統中實現流動阻力減少和傳熱強化的效果。這種效果的實現在工程上具有十分廣闊的應用價值，能達到很好的節能效果。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一:本實施方式粘彈性流體基銅納米流體的製備方法如下:一、將十六烷基三甲基氯化銨加入蒸餾水中攪拌10分鐘至完全溶解，靜置12小時，得到質量濃度為0.02% 0.12%的十六烷基三甲基氯化銨水溶液；二、將納米銅粉加入步驟一得到的十六烷基三甲基氯化銨水溶液中，在超聲波頻率為40kHz、溫度為20 25°C的條件下超聲振蕩24小時，然後加入水楊酸鈉，得到混合液，混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.02% 0.12%，混合液中納米銅粉的體積分數濃度為
0.25 1.0%，攪拌，得到粘彈性流體基銅納米流體。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中十六烷基三甲基氯化銨水溶液的質量濃度為0.04% 0.11%。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:本實施方式與具體實施方式
一或二之一不同的是步驟一中十六烷基三甲基氯化銨水溶液的質量濃度為0.06% 0.10%。其它與具體實施方式
一或二之一不相同。
具體實施方式
四:本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中十六烷基三甲基氯化銨水溶液的質量濃度為0.08%。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五:本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中在超聲波頻率為40kHz、溫度為21 24°C的條件下超聲振蕩24小時。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六:本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟二中在超聲波頻率為40kHz、溫度為22°C的條件下超聲振蕩24小時。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七:本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟二中在超聲波頻率為40kHz、溫度為23°C的條件下超聲振蕩24小時。其它與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八:本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟二混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.04% 0.11%。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九:本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟二混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.06% 0.10%。其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十:本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟二混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.08%。其它與具體實施方式
一至九之一相同。採用下述試驗驗證本發明效果:試驗一:一、用5個IL的大燒瓶分別各取IL蒸餾水，然後再5個燒瓶中分別加入3g十六烷基三甲基氯化銨，分別攪拌lOmin，完全溶解後靜置12小時；二、向5個燒瓶中分別加入115g納米銅粉，然後迅速塞緊瓶塞，置於超聲波振蕩器中，調節超聲波頻率為40kHz，在溫度為20°C的條件下振蕩24小時，得到流體；三、將得到的5瓶流體從超聲波振蕩器中取出，然後各向其中添加3g水楊酸鈉，分別用電磁攪拌器攪拌2小時；四、將攪拌後的5燒瓶溶液倒入已有20L水的儲水箱中，並開啟循環系統進行循環，即得到要進行試驗 的粘彈性流體基銅納米流體，設定試驗溫度為45°C，調節系統流速，使得流動Re數為60000,開始進行流動阻力與換熱性能測量試驗。試驗二:一、用5個IL的大燒瓶分別各取IL蒸餾水，然後再5個燒瓶中分別加入3g十六烷基三甲基氯化銨，分別攪拌lOmin，完全溶解後靜置12小時；二、向5個燒瓶中分別加入115g納米銅粉，然後迅速塞緊瓶塞，置於超聲波振蕩器中，調節超聲波頻率為40kHz，在溫度為20°C的條件下振蕩24小時，得到流體；三、將得到的5瓶流體從超聲波振蕩器中取出，然後各向其中添加3g水楊酸鈉，分別用電磁攪拌器攪拌2小時；四、將攪拌後的5燒瓶溶液倒入已有20L水的儲水箱中，並開啟循環系統進行循環，即得到要進行試驗的粘彈性流體基銅納米流體，設定試驗溫度為45°C，調節系統流速，使得流動Re數為10000，開始進行流動阻力與換熱性能測量試驗。試驗三:一、用5個IL的大燒瓶分別各取IL蒸餾水，然後再5個燒瓶中分別加入3g十六烷基三甲基氯化銨，分別攪拌lOmin，完全溶解後靜置12小時；二、向5個燒瓶中分別加入230g納米銅粉，然後迅速塞緊瓶塞，置於超聲波振蕩器中，調節超聲波頻率為40kHz，在溫度為20°C的條件下振蕩24小時，得到流體；三、將得到的5瓶流體從超聲波振蕩器中取出，然後各向其中添加3g水楊酸鈉，分別用電磁攪拌器攪拌2小時；四、將攪拌後的5燒瓶溶液倒入已有20L水的儲水箱中，並開啟循環系統進行循環，即得到要進行試驗的粘彈性流體基銅納米流體，設定試驗溫度為45°C，調節系統流速，使得流動Re數為60000,開始進行流動阻力與換熱性能測量試驗。試驗四一、用5個IL的大燒瓶分別各取IL蒸餾水，然後再5個燒瓶中分別加入3g十六烷基三甲基氯化銨，分別攪拌lOmin，完全溶解後靜置12小時；二、向5個燒瓶中分別加入230g納米銅粉，然後迅速塞緊瓶塞，置於超聲波振蕩器中，調節超聲波頻率為40kHz，在溫度為20°C的條件下振蕩24小時，得到流體；三、將得到的5瓶流體從超聲波振蕩器中取出，然後各向其中添加3g水楊酸鈉，分別用電磁攪拌器攪拌2小時；四、將攪拌後的5燒瓶溶液倒入已有20L水的儲水箱中，並開啟循環系統進行循環，即得到要進行試驗的粘彈性流體基銅納米流體，設定試驗溫度為45°C，調節系統流速，使得流動Re數為10000，開始進行流動阻力與換熱性能測量試驗。試驗五:一、用5個IL的大燒瓶分別各取IL蒸餾水，然後再5個燒瓶中分別加入3g十六烷基三甲基氯化銨，分別攪拌lOmin，完全溶解後靜置12小時；

二、向5個燒瓶中分別加入460g納米銅粉，然後迅速塞緊瓶塞，置於超聲波振蕩器中，調節超聲波頻率為40kHz，在溫度為20°C的條件下振蕩24小時，得到流體；三、將得到的5瓶流體從超聲波振蕩器中取出，然後各向其中添加3g水楊酸鈉，分別用電磁攪拌器攪拌2小時；四、將攪拌後的5燒瓶溶液倒入已有20L水的儲水箱中，並開啟循環系統進行循環，即得到要進行試驗的粘彈性流體基銅納米流體，設定試驗溫度為45°C，調節系統流速，使得流動Re數為60000,開始進行流動阻力與換熱性能測量試驗。試驗六:一、用5個IL的大燒瓶分別各取IL蒸餾水，然後再5個燒瓶中分別加入3g十六烷基三甲基氯化銨，分別攪拌lOmin，完全溶解後靜置12小時；二、向5個燒瓶中分別加入460g納米銅粉，然後迅速塞緊瓶塞，置於超聲波振蕩器中，調節超聲波頻率為40kHz，在溫度為20°C的條件下振蕩24小時，得到流體；三、將得到的5瓶流體從超聲波振蕩器中取出，然後各向其中添加3g水楊酸鈉，分別用電磁攪拌器攪拌2小時；四、將攪拌後的5燒瓶溶液倒入已有20L水的儲水箱中，並開啟循環系統進行循環，即得到要進行試驗的粘彈性流體基銅納米流體，設定試驗溫度為45°C，調節系統流速，使得流動Re數為10000，開始進行流動阻力與換熱性能測量試驗。以上試驗中流動減阻率和傳熱強化率的定義如下:
DP、_ /鑽彈性流體是 ]納米流體
r⑴
V水
pj
UrT1C _ 粘彈性流體基銅納米流體
H I 匕一----(2)
/ 水
其中:f*為水的流動阻力，f粘彈性流體基銅納米流體為粘彈性流體基銅納米流體的流動阻力，DR為流動減阻率；h粘彈性流體基銅納米流體為粘彈性流體基銅納米流體的對流換熱係數，h#為水的對流換熱係數，HTE為粘彈性流體基銅納米流體的傳熱強化率。DR值越小表明流體的流動減阻效果越好，HTE越大表明流體的換熱性能越好。表I給出了 6個試驗粘彈性流體基銅納米流體的減阻率和傳熱強化率，研究了流動Re數和納米銅粒子體積分數對流動和傳熱的影響。從表I的結果可以看出，三種不同濃度納米粒子的粘彈性流體基銅納米流體在流動Re = 10000下均僅表現出很強的流動減阻效果，且傳熱惡化效果大於流動減阻效果；但在高Re數下，Re = 60000時，傳熱性能得到增強，傳熱惡化效果小於流動減阻效果。三種銅粒子體積分數的結果表明，存在一種最優的銅粒子體積分數，使得流體既發生減阻現在又發生傳熱強化現象，如當Re = 60000時，銅粒子體積分數為0.5%的粘彈性流體基銅納米流體傳熱強化率為1.12，流動減阻率為0.91。表I
權利要求
1.粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於粘彈性流體基銅納米流體的製備方法如下: 一、將十六烷基三甲基氯化銨加入蒸餾水中攪拌10分鐘至完全溶解，靜置12小時，得到質量濃度為0.02% 0.12%的十六烷基三甲基氯化銨水溶液； 二、將納米銅粉加入步驟一得到的十六烷基三甲基氯化銨水溶液中，在超聲波頻率為40kHz、溫度為20 25°C的條件下超聲振蕩24小時，然後加入水楊酸鈉，得到混合液，混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.02% 0.12%，混合液中納米銅粉的體積分數濃度為0.25 1.0%，攪拌，得到粘彈性流體基銅納米流體。
2.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟一中十六烷基三甲基氯化銨水溶液的質量濃度為0.04% 0.11%。
3.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟一中十六烷基三甲基氯化銨水溶液的質量濃度為0.06% 0.10%。
4.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟一中十六烷基三甲基氯化銨水溶液的質量濃度為0.08%。
5.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟二中在超聲波頻率為40kHz、溫度為21 24°C的條件下超聲振蕩24小時。
6.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟二中在超聲波頻率為40kHz、溫度為22°C的條件下超聲振蕩24小時。
7.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟二中在超聲波頻率為40kHz 、溫度為23°C的條件下超聲振蕩24小時。
8.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟二混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.04% 0.11%。
9.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟二混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.06% 0.10%。
10.根據權利要求1所述粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，其特徵在於步驟二混合液中水楊酸鈉的質量濃度為0.08%。
全文摘要
粘彈性流體基銅納米流體的製備方法，它涉及一種納米流體的製備方法。本發明為了解決現有的納米流體體系中由於固體顆粒的加入，使得流體在流動過程的阻力增大的技術問題。製備方法如下將十六烷基三甲基氯化銨加入蒸餾水中攪拌至完全溶解，靜置，加入納米銅粉，超聲振蕩，然後加入水楊酸鈉，攪拌，得到粘彈性流體基銅納米流體。本發明製備的粘彈性流體基銅納米流體可以應用的實際系統管徑為0.5cm～50cm，流動的雷諾數範圍為5000～80000。本發明的粘彈性流體基銅納米流體能克服粘彈性流體的傳熱惡化和納米流體的流動增阻的缺點，達到在流動傳熱系統中實現流動阻力減少和傳熱強化的效果。本發明屬於納米流體的製備領域。
文檔編號C09K5/20GK103194185SQ20131014278
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月24日 優先權日2013年4月24日
發明者李鳳臣, 陽倦成, 徐鴻鵬, 周文武, 何玉榮, 姜寶成, 黃怡珉 申請人:哈爾濱工業大學