基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及热交换技术领域，具体地说是一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统及方法，其特征在于设有所述纳米流体采用分层花状纳米颗粒与水配置而成，其中分层花状纳米颗粒的体积分数为2％‑6％，分层花状纳米颗粒粒径大小为11nm‑71nm，所述纳米流体中分层花状纳米颗粒采用ZnO纳米颗粒分布在聚苯乙烯微球上，并使得分布在聚苯乙烯微球上的ZnO纳米颗粒生长成为ZnO纳米棒，最终得到“分层花状纳米颗粒”的纳米流体。

Cooling system and method of internal combustion engine based on layered flower like nanoparticle fluid

【技术实现步骤摘要】
基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统及方法
：本专利技术涉及热交换
，具体地说是一种能够有效克服现阶段纳米流体介质不稳定问题，利用纳米流体来强化换热的基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统及方法。
技术介绍
：内燃机在工作中会释放出大量的热，这些热导致系统的传热负荷与传热强度都提高，而传统的用纯液体工质(比如水)进行换热，主要呈现出的问题就是较低的传热性能，因此，提高液体的传热性能的一种有效方式就是添加金属、非金属或聚合物固体粒子。在液体中添加纳米粒子，可显著增大液体的导热系数，使传热增强。这已经在研究中被证实。纳米流体中的纳米颗粒粒径在1-100nm之间，由于流体中纳米粒子产生的微尺度效应，并且它的行为接近于液体分子，不易产生磨损或者堵塞等不良后果。现在的一种提高内燃机的散热性能的一种方法就是采用比水具有更高换热性能的工作介质。“纳米流体”的概念由美国Argonne国家实验室的等人在1995年率先提出，人们发现，它是一种具有高导热系数的新型工作介质。白敏丽等人通过对Cu-水纳米流体对内燃机冷却系统强化传热的数值模拟研究研究，得出纳米流体作为换热工质可以显著提高内燃机的换热性能的结论，黎阳等人研究以ZnO配制得到的纳米流体强化传热性能，相对于水，纳米流体的传热性能均有所提高。但是由于纳米流体不稳定，在长时间下容易发生团聚现象，从而导致纳米颗粒在溶液中分布不均，影响其传热与流动性能从而影响了它在实际工程中的应用。综上，纳米流体能够提高传热性能。并且，人们也在应用这一性能。如公开的专利号为CN1493841A。这一专利得出用加纳米流体的振荡热管比不加纳米流体的振荡热管的传热性能提高至少10％的结论。公开的专利号为CN101231147A，这一专利得出利用铜纳米颗粒悬浮液强化毛细泵回路热管特性，可以提高最大散热功率的结论。公开的专利号为CN201057602Y，这一专利得出以纳米流体作为冷却介质具有冷却效果好的优点。然而现阶段纳米流体作为工作介质，易发生纳米颗粒团聚，导致工作介质存在不稳定的问题。
技术实现思路
：本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够有效克服现阶段纳米流体介质不稳定问题，利用纳米流体来强化换热的基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统及方法。本专利技术可以通过以下措施达到：一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统，其特征在于设有冷却工质加入箱体(1)、冷却管路(2)、纳米流体盛装箱(11)，冷却管路(2)的内壁设有疏水材料涂层，冷却管路(2)包括分别连接在冷却工质加入箱体(1)与纳米流体盛装箱(11)之间的出液管路段和回液管路段，泵(5)设置在冷却管路(2)上的出液管路段，冷却管路(2)的出液管路段经过内燃机(6)后与纳米流体盛装箱(11)相连，冷却管路(2)出液管路段经过内燃机(6)后设置温度传感器(3)，冷却管路(2)出液管路段靠近纳米流体盛装箱(11)一端出口处设有外伸管嘴，且外伸管嘴距纳米流体盛装箱(11)的高度h与外伸管嘴的管径d的比值大于等于3；冷却管路(2)的回液管路段由纳米流体盛装箱(11)连接节温器(7)后连接冷却工质加入箱体(1)，节温器(7)控制冷却管路(2)回液管路段的散热支路流经散热器(4)；所述纳米流体采用分层花状纳米颗粒与水配置而成，其中分层花状纳米颗粒的体积分数为2％-6％。，分层花状纳米颗粒粒径大小为11nm-71nm，所述纳米流体中分层花状纳米颗粒采用ZnO纳米颗粒分布在聚苯乙烯微球上，并使得分布在聚苯乙烯微球上的ZnO纳米颗粒生长成为ZnO纳米棒，最终得到“分层花状纳米颗粒”的纳米流体。本专利技术中外伸管嘴距纳米流体盛装箱(11)的高度h与外伸管嘴的管径d的比值进一步优选大于等于10。本专利技术所述冷却管路(2)出液管路段具有管径渐缩结构；所述管径渐缩结构为沿流体输入方向管径逐渐减小，即与内燃机(6)输入端相连接的冷却管路至少具有第一管径段和第二管径段，第一管径段管径大于第二管径段的管径，且第一管径段与第二管径段的连接部呈锥筒状，使管壁具有渐缩的斜面，从而产生一个压力波动，以利于纳米流体中颗粒的分散，更有利于形成稳定的纳米流体悬浮液。本专利技术所述纳米流体盛装箱(11)下面设有冷水箱(13)，冷水箱(13)与散热器(4)经管路连通，且管路上设有冷却水循环泵(9)，以加快冷却水的循环，冷水箱(13)底部设有温度传感器(3)，用于监控冷水箱(13)内冷却水温度。本专利技术所述冷却管路(2)出液管路段末端的外伸管嘴长度为纳米流体进入纳米流体盛装箱(11)的连接管的直径d的3倍，外伸管嘴不能太长主要考虑到沿程阻力；所述纳米流体盛装箱(11)中纳米流体的出口设置为喇叭形，主要为了减少局部阻力损失，且设置位置较低，主要为了使得纳米流体能够顺利流出箱体(14)，在底部设有搅拌器(8)，为了防止纳米流体在箱体(14)中沉淀。本专利技术所述温度传感器分别连接控制器ECU，位于冷水箱(13)处的温度传感器用于监控所述冷却水箱(10)中冷却水的温度不超过60℃，当温度超过此限制温度时，通过散热器(4)进行冷却，以提高系统的冷却能力。本专利技术还提出了一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却方法，其特征在于利用上述基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统进行冷却，系统启动后，先进行小循环，小循环是指纳米流体沿冷却管路(2)依次在箱体(1)、泵(5)、内燃机(6)、节温器(7)、箱体(1)之间循环流转，在此过程中温度传感器(3)在ECU控制器的控制下，实时监测内燃机(6)出口处冷却介质的温度，当温度达到80-90℃，通过节温器(7)停止小循环，开启大循环，其中大循环是指工作介质沿着冷却管路(2)依次在箱体(1)、泵(5)、内燃机(6)、节温器(7)、散热器(4)、箱体(1)之间循环流转；在此过程中ECU控制器通过温度传感器(3)实时监控冷水箱(13)中冷却水温度，当冷却水的温度高于60℃时，启用冷却水循环泵(9)进行冷却循环，使冷却水在冷水箱(13)、冷却水循环泵(9)、散热器(4)、冷水箱(13)之间循环。本专利技术通过采用分层花状纳米颗粒制成纳米流体作为冷却介质，利用分层花状纳米颗粒的特殊结构，使纳米悬浮液中纳米颗粒之间形成阻挡，能够在一定程度上防止纳米颗粒的团聚，以提高纳米流体的稳定性，更有助于纳米流体作为工作介质在内燃机的冷却系统中稳定存在；在使用这种工作介质过程中，为了进一步增强纳米流体的稳定性，又提出采用渐缩管道的方案设计，有助于产生一个压力波动，压力波的传播有助于颗粒的分散，更加有利于形成一个稳定的纳米流体悬浮液；采用超疏水材料，减小流体的粘性阻力；采用外伸管嘴的方式，产生对流体的抽吸作用，从而加速纳米流体的流动速度，有助于提高其稳定性；采用外设一个冷却水箱的方式，提高了整个系统的冷却能力；为了确保系统的运行安全，在冷却系统输出管路上加装了一个温度传感器来对温度进行实时监控。附图说明：附图1是本专利技术的系统结构图。附图2是本专利技术中冷却管路渐缩结构示意图，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统，其特征在于设有冷却工质加入箱体(1)、冷却管路(2)、纳米流体盛装箱(11)，冷却管路(2)的内壁设有疏水材料涂层，冷却管路(2)包括分别连接在冷却工质加入箱体(1)与纳米流体盛装箱(11)之间的出液管路段和回液管路段，泵(5)设置在冷却管路(2)上的出液管路段，冷却管路(2)的出液管路段经过内燃机(6)后与纳米流体盛装箱(11)相连，冷却管路(2)出液管路段经过内燃机(6)后设置温度传感器(3)，冷却管路(2)出液管路段靠近纳米流体盛装箱(11)一端出口处设有外伸管嘴，且外伸管嘴距纳米流体盛装箱(11)的高度h与外伸管嘴的管径d的比值大于等于3；/n冷却管路(2)的回液管路段由纳米流体盛装箱(11)连接节温器(7)后连接冷却工质加入箱体(1)，节温器(7)控制冷却管路(2)回液管路段的散热支路流经散热器(4)；/n所述纳米流体采用分层花状纳米颗粒与水配置而成，其中分层花状纳米颗粒的体积分数为2％-6％。，分层花状纳米颗粒粒径大小为11nm-71nm，所述纳米流体中分层花状纳米颗粒采用ZnO纳米颗粒分布在聚苯乙烯微球上，并使得分布在聚苯乙烯微球上的ZnO纳米颗粒生长成为ZnO纳米棒，最终得到“分层花状纳米颗粒”的纳米流体。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统，其特征在于设有冷却工质加入箱体(1)、冷却管路(2)、纳米流体盛装箱(11)，冷却管路(2)的内壁设有疏水材料涂层，冷却管路(2)包括分别连接在冷却工质加入箱体(1)与纳米流体盛装箱(11)之间的出液管路段和回液管路段，泵(5)设置在冷却管路(2)上的出液管路段，冷却管路(2)的出液管路段经过内燃机(6)后与纳米流体盛装箱(11)相连，冷却管路(2)出液管路段经过内燃机(6)后设置温度传感器(3)，冷却管路(2)出液管路段靠近纳米流体盛装箱(11)一端出口处设有外伸管嘴，且外伸管嘴距纳米流体盛装箱(11)的高度h与外伸管嘴的管径d的比值大于等于3；
冷却管路(2)的回液管路段由纳米流体盛装箱(11)连接节温器(7)后连接冷却工质加入箱体(1)，节温器(7)控制冷却管路(2)回液管路段的散热支路流经散热器(4)；
所述纳米流体采用分层花状纳米颗粒与水配置而成，其中分层花状纳米颗粒的体积分数为2％-6％。，分层花状纳米颗粒粒径大小为11nm-71nm，所述纳米流体中分层花状纳米颗粒采用ZnO纳米颗粒分布在聚苯乙烯微球上，并使得分布在聚苯乙烯微球上的ZnO纳米颗粒生长成为ZnO纳米棒，最终得到“分层花状纳米颗粒”的纳米流体。


2.根据权利要求1所述的一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统，其特征在于外伸管嘴距纳米流体盛装箱(11)的高度h与外伸管嘴的管径d的比值大于10。


3.根据权利要求1所述的一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷却系统，其特征在于所述冷却管路(2)出液管路段具有管径渐缩结构；所述管径渐缩结构为沿流体输入方向管径逐渐减小，即与内燃机(6)输入端相连接的冷却管路至少具有第一管径段和第二管径段，第一管径段管径大于第二管径段的管径，且第一管径段与第二管径段的连接部呈锥筒状，使管壁具有渐缩的斜面，从而产生一个压力波动，以利于纳米流体中颗粒的分散，更有利于形成稳定的纳米流体悬浮液。


4.根据权利要求1所述的一种基于分层花状纳米颗粒流体的内燃机冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔文政，孟安宇，杨建国，林波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37