固体和流体之间的传热方法及其热交换系统技术方案

本发明专利技术公开了一种在固体（例如金属）和流体（例如水）之间的传热方法，其特征在于：通过用含有颗粒组的糊状物和酸或碱来处理与流体接触的固体的表面，在该固体的表面上形成具有多个纳米尺寸的孔的多孔层，所述颗粒组（例如氧化铜ＣｕＯ、碳Ｃ和氧化铝Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］）具有１００ｎｍ或更小的直径。本发明专利技术提供了一种关于传热现象中的对流传热的全新方法，该方法具有特别高效率和低投资。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固体和流体之间的传热方法及其热交换系统。
技术介绍
热能的传输大致可以分为三种传输现象，即热辐射、热传导和对流传热。在工业应用中，热能的传输成为很大的主题，不仅用来节约能量，而且在当今全球环境范围中用于通过任何媒介利用显热和潜热传输或能量转换和传热到其它媒介中来提高热效率。本专利技术的一个目的是提供一种全新的方法，该方法相对于传热现象中的对流传热(对流传热)具有特别高的效率和低成本。本专利技术的另一个目的是提供基于该新方法的热交换系统。
技术实现思路
为了实现上述目的，本专利技术涉及在固体(例如金属)和流体(例如水和空气)之间的传热方法，其特征在于用一组颗粒处理和流体接触的固体表面，该颗粒的直径等于或小于100nm(下文称为“纳米颗粒”)。通常，以经验相关公式来提出和总结传热现象，其中，Re(Reynolds数)表示流体运动的动态特性，Pr(Prandtl数)表示工作流体的热特性，Nu(Nusselt数)表示工作流体和固体表面之间的传热，Gr(Grashof数)表示当工作流体是由于温度或密度差而引起的浮力驱动流动时的热流体特性。这些相关公式用来估计合适的热条件的传热效率。但是，许多这些基于无量纲数的经验相关公式是通过基于边界层理论的流体的温度和速度分布来推导出的。根据本专利技术，用纳米颗粒组来处理接触流体的固体表面，由此在表面上形成具有多个纳米尺度的孔的多孔层。因此，在层流粘性底层内的传热机理得到很大的改善(在传统理论中，只作为在流体中的分子热传导来处理该底层)，最终提高了传热效率。在对流传热中，当高温热源在固体侧时，本专利技术的方法可以用于使热从高温固体传到低温流体，相反地，当高温热源在流体侧时，本专利技术的方法也可以使热从高温流体传到低温固体。因此实现本专利技术的合适的热交换系统的特征在于固体表面与流体接触。在热交换系统的固体表面上形成包含多个直径等于或小于100nm的孔的多孔层。前述颗粒组可以是氧化铜(CuO)、碳(C)、氧化铝(Al2O3)等等。颗粒通常具有球形；但是颗粒形状并不仅限于此，例如，当为碳时该颗粒可以具有单层或多层的管形，当为碳纳米管时直径可以小于约100nm。附图说明图1表示用于确定本专利技术的效果的实验装置的示意图。图2表示实例1的结果，其中使用前述装置来测量温度。图3表示从图2计算的传热系数的相对评价。图4表示实例2的结果，其中使用前述装置来测量温度。图5表示从图4计算的传热系数的相对评价。图6表示比较实例的结果，其中使用前述装置(已从该装置移去传热板)来测量温度。图7表示用于确定本专利技术的效果的另一实验装置的示意图。图8表示实例3的实验结果1，其中使用前述装置来测量温度。图9表示实验结果1的水温变化率。图10表示实例3的实验结果2，其中使用前述装置来测量温度。图11表示实验结果2的水温变化率。图12表示确定本专利技术的效果的另一实验装置的平面图。图13表示同一装置的正视图。具体实施例方式实例1图1表示用于确定通过本专利技术的方法产生的效果的实验装置的示意图。该实验装置主要包括柱形腔体1、冷却室2、温度控制器3、温度监测器4、用于工作流体的循环泵5、用于冷却水的循环泵6和冷却水箱7，且放置在25℃的房间内。柱形腔体1包括由硬氯乙烯制成的柱体8，其内径为100mm，高度为100mm；由SUS304制成的盖板9，其以密封流体的方式固定在上端表面上；以及由SUS304制成的底板10，其以密封流体的方式固定在下端表面上。盖板9和底板10是盘形的，其厚度为10mm。盘形传热板11由铜制成且外径为99.5mm和厚度为1.5mm，该传热板11例如经过硅脂(由台湾Plowstar Co.，Ltd.制造的型号AK-100)(图中未示)用所示螺钉固定在盖板9的下表面。而且，板式加热器12的外径为100mm，热容量为80W，该板式加热器12经过硅脂(同上)安装在盖板9的上表面。各硅脂的厚度约是0.05mm，从板式加热器12到传热板11的距离是热传导区域(在固体内的热传输)。盖板9、传热板11和板式加热器12在中心都具有直径为10mm的通孔，管13以密封流体的方式插入，用于通气和在工作流体体积膨胀时的体积膨胀量、压力释放。柱体8的外周面和板式加热器12的上表面(除了中心)被绝热材料25覆盖。两个由铂电阻制成的温度传感器14、15插入盖板9的内部，其中一个温度传感器14与温度控制器3连接，以便执行盖板9的PI自动控制以达到所需温度，另一个温度传感器15与温度监测器4连接，该温度监测器4用来监测盖板9内部的温度。在此，由铂电阻薄膜制成的厚度约0.9mm的温度传感器16安装在盖板9和传热板11之间的边界内，该温度传感器16与温度监测器4连接，用来监测传热板11的上表面温度。同时，五个温度传感器17至21沿垂直方向以相等间隔整体插入柱体8内；另一个温度传感器12埋入底板10的内部；以及另一个温度传感器23浸入冷却水箱7的水中，所有这些传感器都与温度监测器4连接。另一方面，冷却室2布置在柱形腔体1的下面来支承该柱形腔体1，位于冷却室2上侧的由SUS304制成的基座24与底板10紧密接触。冷却室2的内径为100mm，且在实验过程的所有时间，冷却室的内部充满从冷却水箱7供给的温度为27.7℃的冷却水，该冷却水通过冷却水循环泵6来循环。此外，柱形腔体1处于充满自来水的状态，其中循环自来水，以便通过用于工作流体的循环泵5从上部吸入和从下部喷出自来水。在上述实验装置中，控制板式加热器12用来将盖板9的温度调节到50℃，由此确定在40分钟后各部分的温度处于稳定状态。接着，氧化铜CuO颗粒(由美国Nanophase Technologies Co.，Ltd.制造，通过基于BET方法的SSA(特定表面面积)的测量所确定的平均颗粒尺寸＝16至32nm，近似球形)和硝酸混合且制备成糊状，然后施加到传热板11的整个下表面上，干燥，然后用水冲洗。公认从氧化铜的纳米颗粒产生的薄层在下表面上形成，糊状物施加在该下表面上。当用扫描电子显微镜(此后用SEM来指代)来观察该层时，该层具有多个直径等于或小于100nm的孔。又在上述实验装置中加入传热板11，从氧化铜纳米颗粒产生的多孔层在该传热板11上形成；打开板式加热器12以便盖板9的温度为50℃或45℃；在启动后各部分的温度每隔一分钟测量一次；以及当稳定状态(其中各部分的温度恒定)后又过了20分钟时实验结束。在此，为了比较，与在传热板11上形成多孔层之前的相同条件下测量温度。测量结果如图2所示。示图上的各温度是20次的测量值的平均值，水平轴代表温度传感器的位置，在水平轴上的数值代表离开底板10的距离。在图中，表示当采用传热板11(从氧化铜纳米颗粒产生的多孔层在传热板11上形成)，将盖板9的特定温度设为50℃时的数据，以及表示当在相同条件下为确认再现性而重复测量时得到的数据。而且，表示当特定温度设为45℃时的数据。而且，、和表示通过在如上所述的相同条件下测量所得到的数据，除了仅使用了硝酸而不是氧化铜纳米颗粒和硝酸的混合物。首先，因为和的数据几乎相互重叠，所以认为本专利技术的方法具有可重复性。要注意根据由于具有或没有纳米颗粒而导致的水温的明显差别，可以确定从传热板到位于至处的水的传热。另一方面，可以假定从位于柱形腔体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在固体和流体之间的传热方法，其特征在于：用一组具有１００ｎｍ或更小的直径的颗粒处理与流体接触的固体表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：功刀资彰，向胜己，
申请(专利权)人：株式会社伊势屋机械制作所，功刀资彰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]