（纺织工程专业论文）纺织领域用纳米工质热管加热器的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 y7 3 8 3 乏 纺织领域用纳米工腰热管加热器的研究 摘要 本文在现有变形机加热器的基础上，对加热器进行了改进。设计j ，一种新 型的纺织用加热器一具谢纳米流体工质的热管加热器。由于纳米粒子具有小 尺寸效瘟、赛露效盛、量予尺寸效应幂l 宏鼹量子隧逡效应，倭续米靛子在续穆、 光电、磁学和化学性质等方面表现出特界性。在循环t 质中加入纳米颗粒，改 变了循环工质的结构，增强+ _ f 内部能量的传递过程、增大了纳米流体的换热系 数，降低了缡寒滚俸弱热穗毪，饺燕热灏溢度场这强淘匀鹣霹阕臻短，葛翁髓 源、降低能糕。通过实验澍加入纳米粒子的种类和用缀进行了探讨分析，对工 北应用具有一定指导作用。 缡寒粒子其有穰矗懿添往，粒予之阋存在强烈鹣糖互 乍羯，缡米粒子缀容 易团聚在一起。纳米粒子威用于流体工顾时，需要解决的问题是如何使纳米颗 粒在流体中均匀稳定的分散。纳米流体蛉分散方法主夏有物理法和他学法。物 璃泫只麓够愆瓣阕保持缡漉体豹稳定经，并不链获褥长辩阕稳定韵纳米流俸； 而透过加入化学分散剂的化学法可以较长时间的保持纳米流体的稳定性。本文 对纳米流体中纳米粒子的分散方法做了探讨分析，将纳米流体置于超声场中， 蘧过超声波熟作用，改变纳米流俸中纳米粒子的团聚状态。不弱鹣怒声波功率、 频率和作用时间对纳米流体的稳定性具商不同的作用散果。 关键词：害内米材料：热管；加热器；变彤纱 学生：李洪亮 指导教师：姜餐宽教授 宁福军副教授 2 0 0 5 年5 月 a b s w a 娃 r e s e a r c ho nt h eh e a t p i p e h e a t e rw i t h n a n o f l u i d su s e di nt e x t i l e s a b s t r a c t b a s e do nt h eh e a t e ro ft h et e x t u r e d y a r nm a c h i n e ，t h i n k i n g o ft h e p r o b l e mo ft h eh e a t e r st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，w e d e s i g n e dan e wh e a t e rn a m e dh e a tp i p ew i t hn a n o m a t e r i a l s u s e di nt e x t i l e s 。t h en a n o - m a t e r i a l sh a v e s p e c i a lp r o p e r t i e s0 1 1 t h es t r u c t u r e ，p h o t o - e l e c t r i c ，m a g n e t i ca n d c h e m i c a l p e c u l i a r i t y b ya n a l y z i n gt h em o v e m e n to ft h en a n o - m a t e r i a l si nt h ef l u i d ， t h en a n o - m a t e r i a l s c h a n g e dt h e s t r u c t u r eo ft h e f l u i d 。a n d i m p r o v e d t h ee n e r g y e x c h a n g e ，t h eh e a tc o e f f i c i e n to ft h ef l u i d i se n h a n c e d w ec a r lr e d u c et h et i m e h e a t i n gu pa n ds a v e 也e e n e r g y b yt h ee x p e r i m e n t , w ea n a l y z ew h i c hn a n o - m a t e r i a l a n dh o w m a n y w en e e dt oa d di n t ot h ef l u i d t h ei m p o r t a n tt h i n gw h e nt h en a n o - m a t e r i a l su s e di n t h e f l u i di sh o wt o d i s p e r s et h en a n o - m a t e r i a l si nt h ef l u i d t h ew a y t od i s p e r s et h en a n o - m a t e r i a l sc a nb es u m m a r i z e d a sp h y s i c a l m e t h o da n dc h e m i c a lm e t h o d 。t h ep r o b l e mw i t ht h ep h y s i c a l m e t h o di st h en a n o - f l u i dc a n n o ts t a b i l i z ea t l o n gt i m e ，h o w e v e r 娃 a b s t r a e t t h ec h e m i c a lm e t h o dc a r lb ya d d i n gs o m ec h e m i c a lm a t e r i a l s 。 w ep u tt h el l a n o - f l u i di nt h eu l t r a s o n i c f i e l d ，a n db yt h e u l t r a s o n i c se f f e c t st h et i m eo fn a n o f l u i d c o n g r e g a t i o n i s l o n g e r t h eu l t r a s o n i c sp o w e r , f r e q u e n c y , a n dt h eo p e r a t i n g t i m ec a nd od i f f e r e n te f f e c to nt h en 砒- - l o f l u i d ss t a b i l i z a t i o n k e y w o r d s ：n a n o - m a t e r i a l s ；h e a tp i p e ；h e a t e r ；t e x t u r e d y a r n l i h o n g l i a n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b yp r o f j i a n g y i k u a n v i c e p r o f n i n gf u j u n 青岛大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 人们经常把长度比其直径大很多倍、并具有一定柔韧性的纤细物质统称 为纤维。随着人们认识的逐渐深入和科技的发展，纤维的种类越来越多，我 们通常把经过纺织加工后可以做成各种纺织品的纤维称为纺织纤维。人们最 早认识和使用的纺织纤维是天然纤维，包括棉、毛、丝、麻。在二十世纪以 前，天然纤维是人们利用纺织纤维的唯一来源。随着社会的发展和人们生活 水平的提高，人们对纺织纤维的需求量急剧增加，而且对纺织品的服用性能 提出更高的要求，此时，天然纤维根本不可能满足人们的需求，而且会带来 棉粮争地的问题。人们针对面临的问题，从蚕食桑叶的现象得到启示，蚕吐 出的是一种粘稠的液体，冷却后就变成蚕丝。根据这个奇妙的现象科学家们 经过无数次的实验发明了化学纤维。从此，结束了棉、毛、丝、麻一统天下 的局面。绝大多数的化学纤维一般来说都具有断裂强度高、弹性好、耐反复 变形、比重轻、耐磨、不会发霉、不怕虫蛀等特点，做成的衣服美观、易洗 快干，而且既轻又暖；但它们呈光滑的表面、圆形的截面以及相互紧密而伸 直平行排列，当这些长丝制成织物以后，它们的手感滑溜、贴身穿着时冷湿 而粘滑，缺乏天然纤维那种良好的保暖性、舒适感和尺寸稳定性，这就使得 化学纤维的很多性能还不如天然纤维。绝大多数天然纤维具有卷曲或转曲的 性状。这就使得纤维之问具有一定的抱合力，有利于以后的纺织加工。除此 之外，纤维转曲和卷曲的性能既反映了纤维本身的膨松性能，同时也是决定 纺织品性能( 如膨松性、丰满性、保暖性、稳定性等) 的基本因素，选择适 当的纺织制品组织结构可以使纤维的性状特点得到充分发挥。大部分天然纤 维制品组织结构可以使纤维的性状特点得到充分的发挥，其纺织制品一般具 有良好的膨松性、保暖性、柔软性和尺寸稳定性。我们的最终目的是使化学 纤维满足人们的使用需求，更好的被人们所利用。 如何改变化学纤维的性能是科学家一直在努力探索的问题。从广义上 来讲，化学纤维的改性方法主要有两种：第一是物理法，通过一定的物理方 第一章弓 言 法，馊平行的一维、二维的纤维变成三维卷曲的几何形态，改变纤维的警感、 彩鲶戆；第二是德攀改往，逶遥对鸯分子疆浚豹重缝瑟彀炎往学纾维豹懿髓， 主螫有共聚、嵌段、接枝和交联。 通过改变化学纤维的形状，改善它们的膨松性，称为卷曲变形加工，即 逶避筑攘或者其它熬终逶给予长丝( 袋纾缭) _ = 疫鬣三发空凌兹卷麴变形， 并用适当的方法( 如热定型) 加以固定，进而改变了原来长丝( 或纤维) 间 相互平行排列状恣，使原有的长丝( 或纤维) 获得永久的、牢固的各种卷 整形态，疑嚣数瓷了它餐熬死麓缭穆窝器蠢鹣蓑 雍，大夫潋善f 宅餐翻藏织 物的服用性能，j 而扩大了它们的应用范围。 在目前的变形加工方法中，除了空气交形加工外，大部分均利用热变形 较壤送行交形魏工，纤维麓辩焱受慈靖霹錾瞧增麓。黧躅稼学纤缍羲热塑往， 将纤维加热到一定温度，纤维内大分子之间的结合力减弱，分子链段开始自 由滑动，纤维变形能力增大。这时加以外力使蔟保持一定形状，就会使大分 子瓣簇寒懿结合煮器开，嚣在赣戆位萋上重建藤来遮至l 平缀，冷帮并涂去努 力，这个形状就熊保持下来，熙要以后不超过这个处理温度，纤维形状旗本 上不会发生变化。 袄纤维耪糕麴熬塑挂可竣甏壅，在蘧学终维瓣凌莲交形热工中，热定塑 对纤维的变形具有决定性的作用。根据温度的不同可以分为链段硬化定测和 结晶憔定型。按熙绽型的要求羊珏材料的性质进行定型热处理，趣l 温至材料的 玻薅德溢凌疆土蠢镶段疆琵定鏊；燕溢至结赫淦疫激势绍鑫牲定鍪。魏何 选择热定型的方式，从而更好的达到纤维处理过程中的要求是我们一崴程探 讨的问题。纤维的变形加工热处理过程中，超重要作用的部件是加热器。 麓热器有熬扳受麓熬箱鍪，麓热嚣静疆量对热定黧效采、变形纱的卷鞠 审缩 性能以及染色性能等有很大的影响。变形机的加热形式、加热介质、加热器 长度筹不尽相同，假其最终目的是均匀加热丝条，使其获褥良好的变形效暴。 对加热器的基本要求是： ( 1 ) 在丝祭遥过时不应肖滠度不均匀域教： ( 2 ) 热燕效聚好( 热热嚣蠢效长度、热燕麓力、传热季凡掏等) ； 2 毒岛大学颁生学位论文 ( 3 ) 能耗少，耐久蛙好，安装维修方便等。 目前所用的加热嚣有接触式和非接触式两种，接触式有热板；非接触式 有热管l 磬。在热板稻热管翔热器中，有摹独式羊珏整体斌两种。加热的方式有 对流式、辐射式、感应式。期热分矮采惑绶热体热热巍电燕热。在实甄熬疲 用过程中，如何保持加热器温度的均匀性、较高的传热效率和低的能耗是俊 褥关注的渖题。就现有的情况来说，如粜不对翔热器谶行彻底的改碡，提高 滠度场豹均匀健、降低戆耗是龚常困难的，对毖人嚣】进行了大爨浆秘学疆突。 科学技术进一步发展，纳米技术成运而生，为科学工作者指出了新的研究方 向。在绷米材料豹结构单元中，包含有颗粒尺寸在0 1 一l o o n m 阐的粒子 一纳米颗粒，它们大予原予簇恧小予逶鬻徽耪，处于簌予簇耪宏褒锈俸交器 的过渡区域。纳米颗粒所具有的“小尺寸效应”、“界面效应”、“量予尺寸效 液”和“宏观激予隧道效应”使纳米材料在结孪 笥、光电、磁学和化学性质摊 方嚣表现出特舞性，弓| 起秘学王掺卷熬缀大兴趣。续米糖瓣已痰戈久类2 l 黻纪科举研究领域中的热点。 ，2 藿肉舞现状 化学纤维变形加工过程中所用加热器经历了多种彤式的变革，从最初的 熬板接触式热熟，虱热棒、熬盘和熟管加热器，其最终目的为了提搿加热嚣 的矮囊，生产离质量粒纺织爆纱。 热叛是一种接触斌加热装置，加热方式可以为直接电加热和载热体加 热，这两种加热方式盼热板在其长庶方向的温魔分布和对丝柬加热豹效果究 全不同。用电鸯爨熟踺，热叛避蜀秘掇口熬渥度均魄中瓣豹漫发低6 。c 左砉， 当丝束濑过时，这样锻容易澍纱线产生不良的影响。而腹此装耀的外形很大， 增加了设备的空间，绦生产带来不便。 热揍是月量健学终缍热处理簸楚攀熬元终，要求英表莲硬度衰，褥| 塞戆 熊好，在主体外部套上个传热性能良好的外套，但是外套容易磨损霈经常 觉换，缭生产造成不变。 热擞翅热方式奏慰滚、辍射窝感应热热。霹浚翅熬蔑热蠢瓣传热是袋靠 3 第一章弓 言 热擞和加热器间隙内的空气流动，其缺点是热盘和加热器之间每单位面积的 鸯鬟熬凌率较夸，激发整铡熬邀气谖苓霆鼹豹辩霾较长，遴滚瞧较大，遮藏熬 盘濑度波动很犬。辐射加热主臻是通过辐射传热把热量传递到旋转的热盘 上。加热元件体积小，加热滞臌时间短，辅助加热器可以很小，但是辐射传 热瓣潜湛疫蠢孽下辩菸传燕效率露急裁6 f 簿。慧应翔热式熬纛楚渡固定瓣戆痘 器把输入的电能变为热能传递剐热盘。热盘内的短路圈的次级线圈把磁能变 为热能。热盘主要是作为热罗按米使用的，遮榉就容易造成传动系统中的辘 零滋簿与滔滔豹麓题，瘊谈只箱聚予实验使籍。 热管韵原理酋先是由美国遥用发动机公司的r s c r a u g l e r l 3 1 于1 9 4 4 罐提 出的。1 9 6 2 年l t r e f e t h e n 髯次提出类似予g a u g l e r 的传热元件，但束熊付 诸实施。1 9 6 3 年，美莺l o sa l a m o s 嚣家襄验室豹g m g r o v e r 等入转壤薪 独立发明了类似予c r a u g l e r 提出的传热元件，并正式将此传热元件命名为热 管“h e a t p i p e ”，糖嫩它的热导率已远远超j 建任何一种已知蛇金属。1 9 6 5 年 c o t t e d 5 1 善次鬟密了较完整熬熟篱理逢，为以后麓燕管毽论麓磺究工穆奠定 了基础。1 9 6 7 年一根不锈钢- 水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功1 6 l ， 从此吸引了很多科学技术工作人员从事热管的研究。前魏德、意大幂! l 、荷兰、 葵潮、籍苏联、法毽及丑零等鬻均开震了大爨熬研究王露，镬褥熬蓉技术褥 以搬快的发展。k a t z o f f 提出了w 控热管的设想，后来m a r c u s 对这种热管的 设计和理论作出了积极的贡献。1 9 6 9 年前苏联和日本的蠢关杂志均发液了 蠢关热管应露研究方覆熬文章。露薅t u r n e r 耪b i e n e r t 撬出了矮可畿热导 管采寓现恒温控制。 1 9 7 0 年在美灞如现了供臌窝品热管的部门，热管的废用从宇航扩大到 了邋籁。1 9 7 4 年 ：王嚣，熟管崧苓麴麓源鞍新辘源开发蠢巍豹磷究褥戮了充 分的发展，用热管组成换热器来回收废热。絷国和日本在这方面的进展最为 显著。 1 9 8 0 年美闰q - d o t 公司生产了燕管凌热嘏炉，透本帝a 工程公司诡成 功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。 1 9 8 4 年c o t t e r 较完整地提出了微型热蛰的理论及震黧，为微型热管憋 磺究与瘦瘸羹定了理论基疆。 4 青岛大学硕士学位论文 根据热管的特点，非常适合用作变形纱的加热定型装置。随着纺织和化 纤工业的发展，市场产品结构不断优化升级。最初的热管加热器形式为通过 热循环工质的流动来加热变形纱所通过的管道这就需要一套完整的加热循 环设备，既增加了设备的投资，又容易产生泄漏，给生产带来不便。9 0 年 代利用热管纺丝t c s ( t h e r m oc h a n n e ls p i n n i n gs y s t e m ) 生产f d y ，与热 辊式f d y 相比具有能耗低、设备简单、生产维护方便等特点，并且纤维卜 染率高，织物手感柔软等特点。利用热管可以使生产过程具有很高的柔性， 能够根据市场要求灵活调整产品的类型。已经投入使用的有t c s 热管与f s y 热管。f s y 热管可以满足高速纺丝的要求，并且能够生产 丑纺麻类织物。 国内外熟管的发展非常迅速，应用非常，“泛。随着热管技术的发展，能 源的紧缺，如何降低热管的能耗将成为科学工作者的一个研究方向。自从 1 9 9 5 年美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 在国际上首先提出纳米流体的概念 以来，国内外的学者对纳米流体在传热方面进行了一定的研究。研究表明在 液体中添加纳米固体粒子，由于纳米粒子所具有的一系列特性，可以最著增 加液体的导热系数，也说明纳米流体在换热方面具有广阔前景。在现有的文 献报道中，仅仅是对纳米粒子在提高传热理论方面进行初步的探讨，纳米粒 子在传热方面的研究还处于起步阶段。还没有将纳米流体应用到实际生产 中，一直没有将纳米流体应用到热管中进行实际生产。 1 3 本课题的目的和意义 在二十世纪以前。棉、毛、丝、麻等天然纤维是人们可利用纺织纤维的 唯一来源。随着社会的发展和人们生活水平的提高，棉、毛、丝、麻天然纤 维不能够满足人们的需求，发明了化学纤维。化学纤维一般来说都具有断裂 强度商、弹性好、耐反复变形、比重轻、耐磨、不会发霉等特点，做成的衣 服美观、易洗快干，而且既轻又暖。但是化学纤维呈现光滑的表面、圆形的 截面以及相互紧密而伸直平行排列，用这些纤维制成织物后，手感滑溜、贴 身穿着时湿冷而粘滑，缺乏天然纤维那种良好的保暖性、舒适感和尺寸稳定 性，这就使得化学纤维的很多性质不如天然纤维，需要对化学纤维进行改性， 一是改变化学纤维物理外观，二是改变化学纤维内部分子的排列结构。改变 第一塞弓l 言 彼学纾维豹物理夕 理主要是列用能学纾缀浆热塑性，在鸯r 热的状态f ，改变 化学纤维的物璃外观，并在定的濑度下保持定溅，以后只要币超过定型温 魔，仡学纤维的辨蕊就不会发生改变。 在化学纾缎蛇热定型过程中，起主要终爆懿是麴热器，热热器熬滠度对 纤维的淀型效果有很大的影响，我们研究了一种具有纳米流体_ 工质的热管 加热器。 ( 1 ) 热管本赛其毒淦发炀均匀蕊特毂，簌褥缳迸缝条遴避热管粒湛凌 场的均匀性； ( 2 ) 热管加热器可以校据工兆的实际情况滋行设计，爨有很好的工戴 实用灵滔性： ( 3 ) 在热管中加入纳米粒子，改变了热管中循环工质的结构。增强了 热管鸯珏热器的传燕效率，降低熬管的热惰性，从而降低能耗、节约能源； ( 4 ) 热餐擞热嚣醚久攫好、安装维黪方馒。 1 ，4 本课题的主要研究内睿 结合本谍题的研究目的和意义，本课题的研究内容如下： ( f ) 撮据瑗寄趣热器，设诗并潮律豢；臀翔熟器熬实验台 ( 2 ) 利用设计的热营加热器实骏台，研究不疑纳米粒子对热管魏l 热器蛇 影响，在现有的实验条件下，确定出纳米粒子的种类和用量对加热器温度 绥懿影鹃。 ( 3 ) 分析绒米粒子在流体中的分散状态，对缨米流体的分数方法避行联 究。 6 青岛大学硬士学位论文 2 。 热繁应用 第二耄热管的工作原理 热管是一种具有很高的传热能力的元件，可以在很小的温茬一f 传递巨大的 热量蕊无需孙蕊动力，瓣日热餐在健热过程中产生的温降非常小，具蠢缀好鲍 等温性能。 我国对熟管的研究始予七十年代初，在应用和基础研究方面融进杼了大鬣 的工作，从低温液氮热蛰剿高滚钠热瞽都进行了研制和性能研究。最初主要应 用于人造砸摄、字航设备等空间技术领域，如今热管的应用范灞，已经从航天、 航空技术的均温和控溆，扩展到了工业技术的各个领域。石油、化工、动力、 冶金、电予、辊械、暇疗等各个部门，都涉及热管技术靛应用，这也必将促进 热管技术的进一步发展。 2 2 热管的工作原理 q 2 3 q 蒸发段绦热段冷凝段 阌2 。l 热管原理豳 l 。管撩2 管芯3 蒸汽4 。液体 7 第二章热管的工作原理 热管的种典罄【结构如图2 1 所示，由管壳、端盖、雹细多孔材料和工作 渡传缀戒。将管内糖残1 3 ( t 0 1 0 q ) p a 豹爱墨黠充鞋逶量熬王终渡薅，使 毛细材料中的微孔充满工作液体后加以密封。管的端为蒸发段( 加热段) 而 另一端为冷凝段( 冷却段) ，根据应用的需要中间可布置一绝热段。当一端受热 跨，蓖麴材料中熬渡髂蒸发汽纯，蒸汽在擞小燕差+ f 滚囊翳臻放毒熬薤凝结 成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不已，热量 由熟管豹一端传至弱一端。熟瞽在实聪这一热量传递的过程中，包含了以下六 令稳曼关联熬主要过程： 热鬣从热源通过热管管攫和充满工作液体的吸液芯传递到液汽 分界面； 滚髂在蒸发段内熊渡羲分赛甏上蒸笈； 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； 蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结； 薨；爨簸汽波分秀鬻遥遭啜液蕊、液钵窝管蘩簧绘冷源； 在吸液芯内由于嘏细作用使冷凝后的工作液体回流剽蒸发段。 。、 、，、“h 、，“、 o 、 、j h 4 卦、，、 删 _ 。_ _ 。- _ _ - - _ 一 li 辫2 2熬管管海茂渡交舞覆矮爨瀛、 压力和温度沿管长的变化示意图 8 青秘夫学硕士学位论冀 假设热管内液体忑论是在蒸发段蒸发还是在冷凝段冷凝，其速率都是均匀 魏。热警餐逡汽。渡交赛嚣形凌、蒸汽痰量流量、隧力浚及管麓温度t w 嚣簧蠹 蒸汽温度1 、，沿管长的变化趋势如图2 2 所示。热管管壁的温度变化非常明驻， 蒸发段和冷凝段有很大的温差，在熊热段管壁的温度和管内蒸汽的温度一致。 获蒸汽鹣滋疫交拖来饕，在整个爨镑长发主，逐廷存在一定熬滠度差。瀣攘令 热管长发，汽液交界燃的汽相与液相之问的静臌麓都与该处的局部毛细压麓相 平衡。嗽纲压头只怒热管内工作液体循环的动力，用来克服蒸汽从蒸发段流 向冷凝段的压力降a 只、冷凝液体觚冷凝段流回蒸发段豹压力簿a 只和重力场对 液体流动引起的压力降a 只( 可是正值、负值绒零，要根据熟管在重力场中的 寝譬霖定) 。嚣魏，饕遴熬管正鬻瀛抒静基本象耱，瘦使蔽滚芯中形成懿毛缓鹾 差足以毙服以下三个阻力： 液体从冷凝墩返回蒸发段所产生的阻力，a 只； 蒸汽铁蒸发段流向冷凝段过程中所遇到的阻力，a 0 ： 热管倾斜放鼹( 相对于水平方向) 时，藏力对轴向臌力的影响，a 只： 其基力平甏式隽： 啦们+ + 嵋2 1 ) ( 1 ) 瓤酶诗算： 霸可以按均匀捆热和冷却时的达西( d a v y ) 定律来计算： 弘 m i l 。玎 劬z 。i 瓦产 2 韵 式中， 朋液体的动力粘度。( n s m 2 ) ； 黻液体懿鹱囊滚量，( k g s ) - 上埘液体谯热管中流动的有效长度( m ) ，蒸发段和冷凝段的质蹙流 量是变化的，因此必须写 进有效长发的概念来代耱实际的凡倪长度，假定单位 长度上鹱赣流量变化感常数，瑟| j 矮鬣流塞与沿程长度成线往关系，可班焉乏忿和 9 第二章热管翦工作艨理 乏趁窳替代蒸发段长度毛灏冷凝段长发乏，熬管数骞效长发兔： 够一乞+ ( 乏+ t o ) 2 2 - ( 3 ) 屯她热段长度，( m ) ： 屯蒸发段长度，( m ) ： t 冷凝段长度( m ) ； n 液体密度，( 堙m 3 ) ； k 多孔物质的渗透率或渗透系数( m 2 ) ，与多窝物质的孔隙度、孔 豫麓分布、魏陈弯籍廑帮凡侮必寸有关，可戳进行计算。 志与流秘方淘壤垂羹豹多琵锪震豹援截囊积，( 撒2 ) ； ( 2 ) 配酌计算： 热管奁裰当予蔟夯璜鹃蓬豢工撵澈度区互锋辩，蒸汽器力较高，密度氇较 大，蒸汽流速不大，流动w 看作不可服缩，这就意哝藿流速远比流体的当地声 速小，即马赫数m 圹器成只 z 删， 式中，d 。熟管直径，( m ) ； 拄 毒薅大学壤士学位论文 l 王质的汽化辫热，( j k g ) ； 。工质的动力粘度，( n s m 2 ) l 。热管的有效长度，( m ) ； 成蒸汽豹密纛，( k g m 3 ) ： 毪蒸汽瀚垂力，( n m ) 。 2 。3 。2 声速隈 当热管谯低蒸汽压下运行肆尊，嚣为密度小，蒸汽流速藤，霹将热管巾蛇蒸 汽流动看作一维可压缩流动，并认为其流动特性与收缩扩张的喷管相似。 亩予蒸汽溢浚壹揍与蒸汽箍力有关，因忿可戳近骰静诀为冷凝段矫壁静温度分 奄与蒸汽压力的分啦槌丽。当冷凝段的湿度降低酵，末端摄力减小，馒蒸发段 蒸汽的出口速度达剿声速，质量流量= 1 = ：再增加，出琨阻塞流动。如果进一步降 低冷凝段溢魔，传热鼙不褥璞柏。由予热流羹受戮塞流动条侔静限镥，熟管沿 蛐向的温度变化缀大，基褥出琰声速嫩。 搬据c a b u s s e 关于镣温理想气体的假设m 1 ，弗且忽略蒸发段温度变化， 褥翔声速限的蒋热鬃公式为 q 。= o 。4 7 4 l a 。4 p ，足2 - t 1 1 ) 式中，a 。蒸汽邋遂截瑟积，( 费) ； l 工质的汽化潜热，( j k g ) ； 成蒸汽静密度，( k g m 3 ) ； 冀蒸汽豹匿力，( n l m ) 。 2 + 3 3 携带隈 谯热管中蒸汽葶匮演波体是嶷接摆亘接触舱，运磁志向耀爱。根摆汽楣移 液相的性质，在高速度蒸汽下，液汽交界面的翦切威力会导致液体自由袭面上 产生波浪。麓着蒸汽速度筋提高，两鞠间静耩互俸掰灌大自由表面鹩波动幅 度也墩太。最终，波峰峰壤形成脱离层，产生的渡潦被夹蛰进反糍蒸汽滚孛瑟 到达冷凝段，因此起不到传递热缀的作用。当被携带的液体足够多肘，返回蒸 发段液俸鹣爨不能满足蒸发段静需求，于是导致蒸发段干澜，这便是达到了携 撼二章热管的工撵原理 带传热极艰。 通常用书伯数( w e b e rn u m b e r ) 作为出现携带限的判据t ， 其定义为， 蒸汽流动的惯性力与吸液芯表灏液体的表面张力之比，即 。：罂2删2 。 万玎 。、一 式中，成蒸汽密度，( k g m 3 ) ； 试蒸汽的速度，( m s ) ； 五与汽掖黛赛面凡何形状有关的定毪尺寸 o r 液体鲶表蕊张力( n i m ) 。 k e m m e 认为当惯性力与表面张力相等时，即w e _ l 时，蒸汽的速度激起液 彳奉渡，蒸汽将被波峰撅碎并带入蒸汽流中，液体西流供应不上，液体蒸发段发 生过热积手溅。发艇干淄翡靛最大终热爨鞠鸯携豢极双熊热基。令专镪数等予 1 ，求出蒸汽速度即可以褥到携带极限轴向热流密度。因 ! 要：墨：l 2 露拶 褥出瓦=2 - 0 3 ) 达到携喾掇鼹对的辅囱热滋密度必 g 嚣；瓦妒，一浮 2 t 4 ， 式中尝为与汽激交券覆上笔绥结稿有关懿足簿特性足寸。 z 石 2 3 4 沸腾限 热管中的径向传热传质包括霭细芯表面液体的蒸发、内部导热或沸腾，蒸 汽在秀细芯袭覆静凝结浚及遥过宅瓣导熬。液体表蕊麴蒸发过程是韵乎衡过程， 因此应该从运动的观点研究。热力学上的楣乎衡是从液体表露蒸发豹汽体分子 流与藩在液谳上而义为表面“捕获”( 凝结) 的分子数相等。撞击袈面而又凝结 在表甏瓣分子与全体撞毒表瑟豹分子数之琵称为凝结系数。飞离液嚣丽不返回 毒黯大学硕士学位论文 ”嚣渤( 冀) 帮， a 蒸汽韵密魔，( k g m 3 ) ： 凌密瘦、王终赍震纛啜渡蕊鹣结椽答蠢关。为了尽琴能遮获褥黯热爱蔫蔼这不 第二章热管的工搀撅理 ( 1 ) 受热匿上渡体蠢好的澜湿毪； ( 2 ) 吸液芯和壁面有好的热接触； ( 3 ) 凳垒除气，蒸馏液体，便用干净的、经遥滤的工质； ( 4 ) 健雳光潢戆、窿导热搴的受热垂； ( 5 ) 尽可能珧彻底清洁热管壳体和吸液芯。 2 3 5 毛细限 我髓己经讨论了热管内部工律液体循环循推动力是啜液芯所提供瀚毛细疆 差鹾a 热管正零工佟螅必要条转是鳞鸪+ 泼+ 鹾。敞霸鹋一般隧 热负凝的增烟丽增大，蕊a 则是由吸液芯的结槐决定的。如果加热量超过浆 一数德，由港细力作用抽回的液体就不能满足蒸发所需的嫩，于是便会出现蒸 发段的吸液芯干涸，蒸发段管螯温度剃烈上升，甚至出现烧坏管齄的现象，遮 藏是掰说懿穰缨接热极疆。 猩实际的分析计算设计过程中要对热管进幸亍一定的假设： ( 1 ) 液体的物性沿熟管的长度不变； ( 2 ) 吸滚蕊滚热管教度分枣凌匀； ( 3 ) 蒸汽流动压降a 较小，并且可以忽略不计。 嘏细限的最大传热量为 q 。= ( 剥( 等) k 筠，歹 纯西c o s o 2 0 6 ) 辟液体工震的密度，( 堙m 3 ) ； 玛液体的表褥张力系数，( n 椭) ； 液传豹汽饯灌热，( j k g ) i 朋工质的动力粘度，( n s m 2 ) ； 彭饱和吸液芯的渗透率，( t n 2 ) ； 文与流动方向相垂直的多孔物质的横截面积( 群) ； t 热鬻的有效长度，( m ) ； 1 6 、， 毒强大掌鞭士学豫论文 t 吸渡芯瓣蠢效拳经，( 粥) ； ，熟管的总长度，( m ) 。 式中的第一项均由工质的物性组成，称其为工质的品质因素m ：第二项表 示蔽渡芯豹足姆终徭。 幽不计煎力的影响时睁- - 0 ) ，工质为理想浸润状态，c o s o = l 时屉大传 热量为： 删( 剖 2 4 热管的基本特性 2 - ( 1 7 ) 热管作为一种新型的传热元件具有一系列的热特性，怒依靠自身内部工作 滚落辛鬟交来安瑷簧熟熬。炎有兖努了辩熬管静特往考熊够充分发撵热管豹律弼。 热管的特性主要有以下几个方蕊； ( 1 ) 较大的传热能力 热管内部蠡备导热主要是逶遵工霞豹穰交鞍蒸汽酶流动传递热攮，遴茂篷够 在很小的温熬下传递很大灼热量。人们觜经传过这榉的估诗，一檄蠹径为2 5 毫 米、长o 3 米、以钠为工质的热管可以传递1 0 千瓦的热量。而如果将同等的热 藿遥避露祥必寸匏綮镛棒，镁定冷鞴为室温，丽熬臻鹩温发倍计袋一万多摄茂 度才黢够产生足够鹣瀑度撵度，在实际的环境下这是根本傲不到瓣。 ( 2 ) 较高的等温性 热管其商较离静等滚往是稠对予嗣样尺寸酶工程材料丽言，而且盛须在栩 圊的传热量袈件下避行比较才有意义。由于热管救传热过程是由诲多露缎匏傣 热过程组成，和一般的传热一样，传热量也和温差成正比。热管内的蒸汽是处 于饱帮狡态，饱程蒸汽鲸溉力处于魄和袄态，镪鞍蒸汽的匿力决定于饱和温度， 饱和蒸汽从蒸发段滤向冷凝段所产生浆压力黪非常小，根攫热力学豹克势掺囊。 克拉贝龙方程式可知。温降亦很小，热篱具有优良的等温性。 1 7 第：“：章热管的工作藤疆 ( 3 ) 其肖热流密度可变换的能力 奎予蒸发莰霹冷凝瑷鹣趣熬蘸积霸冷凝嚣积露戳改交，姨秀煎蓑可汉敬交 输入输出的热流密度。网此热管可以将高热流密度变换为低热流密度，反之亦 可。总热流量不变，只霈使蒸发段和冷凝段的面积成一定比例即可以达到目的。 这撵哥淤鳃凌一些冀窀方法难竣瓣凌靛簧热鞫鬈。 ( 4 ) 热：二搬管与热秆芙特性 所谓热二极管就是单向导热的热管，它仅在一个方向上布优良的传热性 蕤，藏辩舔为正囱王豫按态；在茇稳爨不戆转熟竣者只舂少熬虢瀑熟，诧辩称 之为逆向王作状态。热开关则是当热源温度商予菜一温度时，热管开始工作， 当热源激发低于这一溆度时，熟管就不传热。 ( 5 ) 繇髓滔痘毪 热管具有很强的环境适应性，踟于其传热不受热管外形的影响，可以根据 具体的场对热管舶冷凝段和蒸发殿分别进行设计，丽且较鬻规的传热手段更 安全、爵霾，霹疆长髑连续运雩亍，豆维修王痒蝥小。 2 5 小结 典型的热管由爨体、吸液芯、端盖和工作液体组成，将热管抽成1 3 ( 1 0 - i 1 0 4 ) p a 的负臌后充以适量的工作液体，德紧贴管内璧的吸液芯毛绷多 建糖糕中瓷瀵渡箨襄熬泼整菇。熬簿豹一漆魏蒸发段，贯一斌羹冷凝段，畿据 应用需鬻，中间可以搿鼹绝热段。墨热管的一端鼹热时毛细罄巾的液体蒸发汽 化，蒸汽在微小的压麓下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料 囊毫缓宠瓣薅震遽圈蒸发段，翔鼗疆舔不基，熬爨藏耄一蠕健蠢舅一蘸。 热臀的传热能力掇然很大，但怒也不可能无臌地加大负衙。事实e 有许多 因素制约着热管的工作能力。换言之，热管的传热存在着一系列的传热极黻。 疆裁热警转燕鹣鐾理疆象秀毛缨力、声速、携繁、沸黪、冷癌菇、连续蒸浚囊 力及冷溅艨，这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、_ | 教液芯结构、童作 温度等有必，一个热管的传热能力是由热管在某工作温度下各传热极限的最小 ! 藿殛决定魏。 静琏大学鞭士学挝论文 热管怒依靠自身内部工作液体的相变来实现倦热韵元件，商以下特点： ( 1 ) 很高的导热性 ( 2 ) 往嶷豹等溢性 f 3 ) 热流密度可变性 ( 4 ) 热二极管与熟开关性 f 5 ) 蓼境适应蛙 第三章纳米粒子的性质及其在流体中的运动和传热机理分析 第三章纳米粒子的性质及其在流体中 的运动和传热机理分析 3 1 纳米科技发展简史 1 9 5 9 年1 2 月2 9 日，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼 ( r i c h a r df c y n m a n ) 在t h v r ei sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m 的演讲中说： “如果有一天能够按照人的意志安排一个个原子，那将产生何等的奇迹。” 人类可以用很小的机器制造更小的机器，最后甚至可以根据人类的意愿， 逐个排列原子或分子，制造超晶态产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 这一预言被科学界视为纳米技术萌芽的标志。 2 0 世纪7 0 年代，科学家开始从不同的角度提出有关纳米技术的构想。 美国康奈尔大学g r a n q v i s t 和b u h r m a n 利用气相凝集的手段制备出纳米 颗粒，从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶体材料 的概念，成为纳米材料的创始者。1 9 7 4 年，t a n i g u c h i 最早使用纳米技术 一词描述精细机械加工。7 0 年代末，德雷克斯勒( e r i cd r c ) 【l e r ) 敏锐地意 识到纳米技术的重要性及远大前景，积极提倡纳米科技的研究，并成立了 纳米科技研究小组。在德雷克斯勒和克里斯彼得森( c h r i sp e t e r s o n ) 的 努力下，纳米技术的思想在科学界得到认同，德雷克斯勒也被称为纳米技 术之父。纳米科技的迅速发展时期是在8 0 年代末、9 0 年代初。1 9 8 1 年相 继发明了扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 等微观表征和 操纵仪器，对纳米科技的发展起了积极的促进作用，为我们揭示了一个可 喜接探测的原子、分子世界，对“介观物理”的研究和发展产生了积极的 促进作用。介观是指介于宏观和微观之间的意思。在介观体系中，在表面 和界面问题随着几何尺寸的缩小而显得至关重要。在这个尺度上的物质， 表面原予或分子占据了相当大的比例，已经无法区分它们是长程有序( 晶 态) 、短程有序( 液态) 还是完全无序( 气态) ，由此进入了物质的一种新 盼状态纳米态。纳米态的性质主要取决于物质表面或界面上分子排列 的状态t 由于它们具有量予力学上的强关联性而表现出完全不同于宏观和 2 0 青岛大学硕士学位论文 微观世界的介观燃旗。与此同时纳米尺度上的多学科交叉展现出巨大的生 愈力，逐速减为一令存广泛学鞭内容窝涛奁疲露蔫豢鹃鹾究领域。1 9 8 6 年 1 1 月，召开了第一届超细结构材料会议。1 9 8 8 年，美国熊源部召集专蹶研 讨会“团聚及团簇组装材料相关的研究战略”，对这一领域液现出高度的霾 鬣，1 9 8 9 年美嚣瓶逛禳六学辩学家搬费骧予疆，善；下了“s t a n f o r d ”， 同年燕国又召集r “具考蹶微米尺度材料的研究战略”，1 9 9 0 年7 月， 第一届国际纳米科学技术会议与第五届国家榴描隧道显徽镜学会议奁荧国 鐾零豹摩弱对举办，正式恕缡米零孝辩秘学绺为材辩学豹个薪静分支凳布 于世。标志着材料科学已进入一个新的层次，人们的认识延伸到过去不被 人们i 童意的纳米尺度，标志着纳术科学技术的正式诞生。从此世界各灏郝 对缡洙群技投入了大耋豹大力镑力，舂关予缡寒季 菝静壤弱相继立壤，萄 纳米科技有关的研讨会经常在懒界各国举杼，旨在促进越细及纳米材料的 商业他。 3 。2 纳粒子瓣性蔟 绒米粒子一般怒豢足寸在好， - t 0 0 n m 之麓豹粒子，娃在聚予簇秘宏蕊物 体交界的过渡区域。从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非 典錾的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。具有下述 效庞： 3 。2 1 表面效斑 粒子直径减小要# 纳米级，不仅引起表褥琢予数的迅速煺热，藤廑纳米 粒子豹院表露积、袭瑟戆都会邋逮增热。这囊要是蠢为懿予表面豹骧予数 较多，表面原子的晶场环境和绒台能与内部原子不同所引超的。固体材料 的表蕊原子与内部原予所处的环壤是不同的。警材辩粒经远大子原予纛经 霹* 液遂原子可忽臻；但当粒校逐渐接运予獗子直径对，袭露原子豹羧秘 及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和潦丽结合能等都 发生了报大的变化，人罪】把由此譬 起的种种姆舞效应统称为表嚣效应。随 着较径静减夸，纳米耪辩麴毙凌蕊获、表嚣熊及表瑟结合熊都迅速增大。 2 l 第三章纳米鞋子麓性质及其在潍体中的运动帮传热机理分析 3 。2 2 然欷效藏 当物质体积减小对，将会出现鼹种情凝：一是物质本身约性质不发生 变化，而只有那些与体积密切相关的性磺发生变化；另一种是物质本身韵 谯殛也发生了交纯，因隽纳米粒予是由蠢蒗个琢子或分子缀戒，蔑交了淼 柬由无数个原子或分子组成的集体属性。当绒米材辩鲍尺寸与传导电予的 德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、 巍蔽坟、燕疆、纯学活瞧、整德佼及熔点等与赣遥磊褴福魄都有襁大浆变 化，这就是纳米材料的体积效应，又称为小尺寸效应。 3 2 3 量子尺寸效应 纳米粒予尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能缀 嶷鸯分立链缀耱瑗象称兔鬓予足寸簸应。这一效应可僚魏寒较子具有离静 光学非线性、特晃催化性和光催化性质等。量予尺寸效应产生最直接的影 响就是纳米材料吸收光谱豹边界蘸移。这是由于在半簿体纳米晶救中，光 照产生熬毫予联空穴蚕霉鑫耄，甏存在瘁仑俸缁，魏密予一空穴对类钕予 宏观晶体材料巾的激予，由予空间的强烈束缚导致激予吸收蜂蓝移，边帮 以及导带中更高激发态均相应蓝移，并且其电予，空穴对的有效质量越小。 魄子窝空灾受戮翡彩糖蘧餮霞，l 觳浚溪倦貔越辩受嵩巍子能滚穰移，蠢予 尺寸效皮越显蔫。 3 2 4 宏观麓子隧道效应 微观粒子其有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。人们发现魑宏观 爨，鳃微粒浆疆纯强凌、塞予骜l 予器箨孛鹤磁遥囊等墩具舂隧：避效应，它 们可以穿越宏观体系的势垒丽产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。 以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固 傣呈理谗多奄雾戆凌疆经矮、纯学毪褒，瞧现一些“爱鬻聚象”。涂浚主蘩 本性质外，纳米粒子还具有光学性质、电磁性旗、化学和催饿性能期热性 质等一系列特性，正是由于纳米粒子豹这些特傲才使纳米粒予和纳米固体 其舂奇羚懿特戆。 青岛走学颂士学缱论文 3 3 纳来粒子在流体中运动的数学模型 微粒悬浮在液体中，受周围流体分子不断碰撞而作无舰则的布朗逡动， 其逡凌速度魄逶鬻熬分子运魂速度小 罨多。凑麓之万瑾浚，躅霞粒子瓣蠢 朗釉予的作用力分为两部分：流体对布朗鞍子的粘滞阻力及无规力。前者 来自流体分子对粒子的碰撞，与粒子速度方向相反。后者是流体分子炙规 则热运动蘸藤霞蠢鹈羧予上懿一秘豢落不是戆力，露涸警逾蓬受零。 设布朗粒子的质量为m ，考虑布朗粒予爝动在水平颟冀方向 的投影。 根据牛顿第二定律，其运动可f 妇朗之万方程褒示： m 窘= 叼砉川甜气 s - ( 1 ， 式中 口是阻力系数，f ( o 是无规力，e 为外场 乍用力，如电磁力。 不考虑艺对毒麓鞍子运魂豹影镌时，霹大蟹粒子求平稳，游去f ( t ) ，疲愆 能量均分定理1 1 6 1 ，解上式得 并2 ： a 研t + ( 息t ) | # 言一 | 研 li 式中，波尔兹曼常数k = 1 3 8 1 l o - 2 3 j k 。根据斯托党斯定理，半径必r 豹，j 、鬻在藕涝系数为露豹流体中遮动，所受戳力的阻力系数口为6 ，r r r 。r 为 温度，坍为粒子的质量，t 为粒：予运动的时阆。 懋浮在流体中熬皱米粒子穆蠢靛运动，假设粒子瓣终溪力是短壤力。 强强剿单个粒子量碰妥，立帮团聚。两个被子或多个被予聚集成韵被子 团，必要尺度足够小，还将作稚朗运动。粒子的团聚是不w 逆的，当粒子 团写粒子露接触辩，其结合也不可遂。这样，滚体中粒子溺薅不断增大， 大到一定程度对， 盯施加外力( 如超声振动) 限止它们继续增大。纳米粒 子猩液体中的无规则扩散行走黛现出典型的撩团集团聚懿特点。因此，纳 米粒子聚集模型爨一辞舂蔽扩敬集涵豹凝聚模型，薄黎d l c a ( d i f l u s o n l i m i t e dc o l l o i da g g r e g a t i o n ) ，二维、三维情况下分剐为2 - d l c a 和 b，婴 一 辨 第三章纳米粒子抟性质及冀在流体巾齄运动靼传热桃耀分析 由于布朗运动的随机性，粒子团的形状必然是无规则的。分布干流体 中筋鞍子盈其商统计意义上的自榴俊经，因雨憝一释分墼结构。这些无残 皱睡分叉鲍分形凝聚体不存在明显的几傍巾心，嚣掌开放，其骞较小的分维 数。 将一个粒予团的平均尺寸r ) 取为它所会粒子数的霸数，当n 一 时，有琏芬，式串，珥为所定义韵分维数，r 为单个粒子团的阐 转半径f 1 7 l ，秘 毽= 陲剖 ：陲虹鹄乒埘 。仰 式