碳纳米管吸液芯高效热管传热及流动机理与实验研究

应用于武器系统、高速计算机、电动汽车等的微电子器件随着工作频率和集成度的提高，其单位面积/体积的发热量成指数上升，高出传统商业化热管临界热处理能力一个数量级。本项目旨在探讨利用碳纳米管阵列来替代传统热管内铜基吸液芯的可行性，揭示碳纳米管束作为热管吸液芯的热学特性和润湿特性，获得碳纳米管吸液芯热管内工作流体的气液相变、质量迁移速率、温度分布以及临界传热特性等。 项目主要（1）研究了作为新型热管吸液芯的碳纳米管束的综合导热特性、润湿特性以及吸液芯内流体的流动特性，提出了基于对应态原理的碳纳米管及管束热导率的无量纲化表征新方法，获得了适用于单壁碳纳米管、多壁碳纳米管甚至石墨的首个通用型热导率方程，具有明显的实用价值。（2）建立了碳纳米管吸液芯在空隙尺寸下的润湿模型，对孔槽形状、工质接触角以及尺度等因素进行了定量分析，发现液面形状只与气液表面能和液固表面能的相对大小有关，而模型尺度减小时，毛细压力呈指数增长。结合碳纳米管在热管内壁面的生长随机性特征，在整齐排列模型的基础上，提出了碳纳米管随机位置分布的处理方法以及其润湿模型，获得了微观单元内液体与蒸气界面以及液体与CNT界面的接触面积变化规律。（3）根据表面自由能最小化原理，提出了适用于吸液芯宏观尺度下大量碳纳米管阵列中的液体在表面张力的影响下的行为特性模型，给出了相比分子动力学等方法更为简便易行的、数值解和分析解结合的计算方法。发现CNT作为吸液芯时其间距相比传统多孔介质的大幅缩小，可导致等效的接触角更小，使得液体更容易扩散，证明了碳纳米管作为吸液芯在流体输运方面的优越性。（4）探索了铜粉与碳纳米管混合及烧结的技术工艺，在铜粉表面形成碳纳米管随机阵列，测量了混合烧结样品的渗透率和最大毛细压。（5）建立了基于格子Boltzmann方法的热管吸液芯及热管整体模型，模拟了微细尺度下碳纳米管吸液芯、工作介质（液体和气体）以及热管壁面之间热、流、固三者的耦合流动和传热特性。 通过本项目的研究，拓展了对不同工质在碳纳米管吸液芯微纳通道内的润湿特性和流动特性的认识，增强了对微纳尺度下此类热物理现象和机理的深入理解。所获得的研究结论对碳纳米管新型热管技术的发展以及优化运行具有指导意义，为获得稳定可靠的新型超级传热器件进而解决日益增长的高密度集成电路或电子器件的散热瓶颈问题提供了理论依据和技术支撑。 2100433B

拟开展十倍于传统热管传热能力的碳纳米管芯高效热管性能研究。探讨利用碳纳米管阵列来替代传统热管内铜基吸液芯的可行性，揭示碳纳米管束作为热管吸液芯的热学特性和润湿特性，定量获得碳纳米管吸液芯热管内工作流体的气液相变、质量迁移速率、温度分布、轴向和径向导热性能，以及沸腾传热特性等。揭示碳纳米管结构长度、密度和布置方式对碳纳米管吸液芯内的毛细作用力与流动阻力的优化耦合关系。探讨工质及其热物性对工作在常温和低温条件下的碳纳米管吸液芯热管工作机理和整体传热性能的影响，最终形成系统性的碳纳米管热管理论设计计算方法和性能实验测量能力。碳纳米管热管对于解决高热流密度微电子电路与器件等应用的散热问题具有重要意义。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。

研究传热流体在具有三维翅片结构的花瓣形翅片管外的螺旋流动传热，通过对流场的流态显示、速度场和温度场的测量，并结合所获得的传热与压降性能数据，分析传热强化机理、优化翅片和螺旋角参数；建立传热流体在花瓣形翅片管外螺旋流动传热的三维理论模型，提出求解模型的数值方法，探明场协同的机制。研究工作将有助于丰富和发展我国第三代传热技术及相关理论，并开发出具有自主知识产权的高效换热器，促进我国节能和环保工作的发展。

高效强化传热管已在许多氮肥工业换热设备中应用，效果十分显著，举例如下 :

a.新安江化肥厂于1985年初在国内首先采用螺旋槽管折流杆换热器作为变换主换热器，运行8个月进行标定，传热系数由原光管折流板换热器的104. 67 kJ/m²·h·℃提高到251. 21 kJ/m² "h℃，系统阻力降低了37%，吨氨电耗下隆100度左右。设备重量从11. 5吨减至6. 4吨，换热面积从400 m²减至165 m²，设备造价由7. 5万元降至5. 5万元(当时价格)。

b.益阳地区氮肥厂的变换第一水加热器，采用缩放管加普通折流杆支承结构，传热面积由原设备的200 m²减至150 m²，设备重量减轻3吨，经实际测定，每小时比原设备还多回收59. 87 X 10⁴kJ的热量，一年节省的煤耗折价3万元。

c.益阳地区氮肥厂的铜液氨冷器，原用设备的传热面积为150 m²，由于传热量不够，常影响生产，采用横纹槽管后，传热面积减为120 m²，而吨氨耗液氨从原来的200 kg下降至150 kg以下，吨氨节约冷量30. 14 X10³ kJ，每年减少冰机电耗在8万度以上，折价约1. 2万元。

d.沉江氮肥厂的变换主换热器，原用设备的传热面积为706 m²，采用横纹槽管和空心环支承的壳程结构后，设计面积仅160 m²(实际选用200 m²)，比原设备节省无缝钢管7. 86吨，投入实际运行后证实能满足生产要求。若按全国小氮肥厂年生产能力1200万吨推算，仅变换主换热器一项，全国小氮肥厂可节省无缝钢管4700吨，价值3千多万元，如计及壳体、封头、管板等省工省料，其经济效益更大。2100433B