本發(fā)明涉及沸騰換熱，更具體的是，本發(fā)明涉及一種基于納米流體沸騰的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、沸騰換熱是一種在液體與固體表面接觸時(shí)發(fā)生的換熱過程，在較小的過熱度下，可具有較大的傳熱系數(shù)，目前，沸騰換熱技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力、核電、地?zé)崮堋⑻柲?、石油化工、食品工程以及低溫工程等重要工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵過程。

2、沸騰換熱效率的高低直接決定著能源轉(zhuǎn)換利用效率，改善核沸騰的起始點(diǎn)、提高沸騰換熱系數(shù)和提高臨界熱流密度是強(qiáng)化核池沸騰換熱的主要方法。在當(dāng)前的強(qiáng)化沸騰換熱研究中，無論是數(shù)值模擬研究與實(shí)驗(yàn)研究，通常使用沸騰面表面改性等手段強(qiáng)化沸騰換熱，表面改性即人為地使用某些手段改變沸騰表面的某些特性，如改變沸騰表面宏觀結(jié)構(gòu)表面、在沸騰表面上構(gòu)造微觀結(jié)構(gòu)等等，這些手段能夠改變沸騰過程中表面的某些特性，包括增加表面的活性成核位點(diǎn)、調(diào)整表面液體流動(dòng)性以及改變氣泡動(dòng)力學(xué)等，進(jìn)而強(qiáng)化沸騰換熱。

3、lan?mao通過沸騰實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米涂層表面相較于普通銅表面，臨界熱流密度和沸騰傳熱系數(shù)均有較大提高，分析表明，氧化石墨烯沉積層的潤濕性改善，熱導(dǎo)率提高，表面粗糙度增加；rinku?kumar?gouda使用經(jīng)過處理的表面進(jìn)行池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑處理后的受熱面具有較好的潤濕特性和毛細(xì)效應(yīng)，表面活性劑處理后的溶液表面對(duì)水池沸騰時(shí)的換熱有促進(jìn)作用。

4、強(qiáng)化沸騰換熱也可以通過改變流體熱物理性質(zhì)的方法實(shí)現(xiàn)，納米流體是納米顆粒與基液混合后的穩(wěn)定懸浮液，相較于傳統(tǒng)相變傳熱工質(zhì)，其具有很好的傳熱性能，納米流體作為新型傳熱工質(zhì)可大幅提高現(xiàn)有換熱系統(tǒng)傳熱效率，相較于許多其他新型強(qiáng)化傳熱技術(shù)，納米流體可直接應(yīng)用于現(xiàn)有沸騰換熱系統(tǒng)中，具有極大的應(yīng)用空間。

5、boqi?xiao等針對(duì)納米流體核池沸騰換熱提出了根據(jù)納米顆粒在沸騰表面的分形分布和成核位置的分型模型，分形模型預(yù)測表明，納米流體的自然對(duì)流階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，用分形模型預(yù)測的核態(tài)池沸騰熱流與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；mohammed?saad?kamel等引入納米流體相對(duì)于去離子水的池沸騰換熱系數(shù)增強(qiáng)比，觀察納米流體濃度和外加熱流密度對(duì)池沸騰換熱行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體積濃度為0.005％和0.01％?vol時(shí)，池沸騰換熱系數(shù)比提高了約6.7％，池沸騰換熱系數(shù)降低可能是由于在池沸騰過程中沉積的納米薄片，沉積的薄片填滿了表面的微腔，降低了成核位點(diǎn)的密度，以及這一層沉積層的熱阻限制了從表面到工作流體的傳熱；hyungdae?kim通過實(shí)驗(yàn)研究了納米顆粒對(duì)納米流體池沸騰過程中臨界熱流密度的增強(qiáng)作用，納米流體池沸騰臨界熱流密度后加熱表面的掃描電鏡觀察表明，納米流體池沸騰過程中加熱表面沉積了大量顆粒，表明納米流體池沸騰過程中臨界熱流密度增強(qiáng)的主要原因是納米流體池沸騰過程中納米顆粒表面涂層導(dǎo)致加熱表面微觀結(jié)構(gòu)和形貌的變化；paisarn?naphon通過研究冷媒基納米流體的池沸騰換熱特性，納米流體濃度和沸騰壓力對(duì)換熱特性有顯著影響，隨著顆粒體積濃度的增加，沸騰換熱系數(shù)有減小的趨勢，尤其是在高熱流密度時(shí)；sang?m.kwark通過納米流體沸騰制備納米涂層通過改變納米流體沸騰參數(shù)，包括熱流密度、沸騰持續(xù)時(shí)間和納米顆粒濃度，可以得到不同厚度和結(jié)構(gòu)的納米涂層，結(jié)果表明，在納米流體沸騰過程中，加熱表面不斷發(fā)生改性，在加熱表面形成納米涂層，在水中測試時(shí)，這些納米涂層具有增強(qiáng)臨界熱流密度的能力，涂層的沸騰性能受納米涂層厚度和結(jié)構(gòu)的影響，影響了核狀沸騰傳熱；sayantan?mukherjee通過al2o3和tio2納米流體在水平放置的平面拋光表面上的池沸騰實(shí)驗(yàn)研究，表面接觸角隨基液中顆粒包裹體的增加而減小，因此，納米流體的潤濕性增強(qiáng)，納米流體潤濕性的提高有利于傳熱，由于納米顆粒的沉積，加熱表面粗糙度降低，與tio2納米流體相比，al2o3納米流體的表面粗糙度更大，因此，al2o3比tio2納米流體的傳熱強(qiáng)化效果更好。

6、經(jīng)過大量文獻(xiàn)分析后發(fā)現(xiàn)針對(duì)中低熱流密度工況下納米流體沸騰的觀察研究較少，該工況下納米流體沸騰傳熱的機(jī)理尚不明確，因此亟需對(duì)中低熱流密度工況下的納米流體沸騰氣泡特性與換熱特性進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于納米流體沸騰的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建安全且便捷的納米流體沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠在中低熱流密度工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)納米流體沸騰的研究，提高能源利用率。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

3、一種基于納米流體沸騰的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：

4、外部支架；以及

5、隔熱塊，其設(shè)置在所述外部支架內(nèi)；

6、沸騰銅片，其卡合在所述隔熱塊的頂部；

7、主加熱棒，其一端與電源相連接，另一端與沸騰銅片相連接，且所述主加熱棒設(shè)置在所述隔熱塊中；

8、石英玻璃管，其間隔套設(shè)在所述沸騰銅片的外側(cè)，且所述石英玻璃的側(cè)面與所述沸騰銅片共面的位置設(shè)置有可視化觀察系統(tǒng)；

9、副加熱棒，其一端與溫控儀相連接，另一端設(shè)置在所述石英玻璃管中；

10、其中，所述石英玻璃管中填充納米流體。

11、優(yōu)選的是，所述外部支架包括：

12、上蓋板；以及

13、下蓋板，其與所述上蓋板間隔且平行設(shè)置，且所述下蓋板設(shè)置有中心通孔；

14、多個(gè)支撐柱，其等間隔且可拆卸的設(shè)置在所述上蓋板和下蓋板之間；

15、多個(gè)支撐腳，其等間隔且可拆卸的設(shè)置在所述下蓋板和地面之間；

16、其中，所述隔熱塊的一端可拆卸的固定在下蓋板上，所述石英玻璃管的一端卡合在所述隔熱塊的另一端，另一端卡合在所述上蓋板底部。

17、優(yōu)選的是，所述隔熱塊的材質(zhì)為聚醚醚酮。

18、優(yōu)選的是，所述隔熱塊還包括：

19、中心槽，其設(shè)置在所述隔熱塊的頂部中心；

20、通孔，其沿所述隔熱塊的中軸線設(shè)置，且所述通孔與所述下蓋板上的中心通孔對(duì)應(yīng)設(shè)置；

21、多個(gè)側(cè)孔，其沿隔熱塊的外圓周到通孔水平設(shè)置，所述多個(gè)側(cè)孔間隔且豎直設(shè)置；

22、其中，所述沸騰銅片卡合在所述中心槽中，所述主加熱棒設(shè)置在通孔內(nèi)。

23、優(yōu)選的是，還包括：

24、方孔，其設(shè)置在所述石英玻璃管的一端，且所述方孔與沸騰銅片處于同一平面。

25、優(yōu)選的是，所述可視化觀察系統(tǒng)包括：

26、高透石英玻璃片，其設(shè)置在所述方孔內(nèi)；

27、高速攝像機(jī)，其設(shè)置在所述石英玻璃管的外側(cè)，且所述高速攝像機(jī)與方孔對(duì)應(yīng)設(shè)置。

28、優(yōu)選的是，還包括：

29、第一溫度傳感器，其一端設(shè)置在所述上蓋板的外側(cè)，另一端設(shè)置在石英玻璃管內(nèi)；

30、溫控儀，其與所述副加熱棒和第一溫度傳感器的一端相連接。

31、優(yōu)選的是，還包括：

32、第二溫度傳感器，其一端設(shè)置在所述上蓋板的外側(cè)，另一端設(shè)置在石英玻璃管內(nèi)；

33、多個(gè)熱電偶，其分別一一對(duì)應(yīng)的設(shè)置在多個(gè)側(cè)孔內(nèi)；

34、數(shù)字萬用表，其與所述多個(gè)熱電偶和第二溫度傳感器的一端相連接。

35、優(yōu)選的是，還包括：

36、冷卻銅管，其為u型結(jié)構(gòu)，所述冷卻銅管的管體設(shè)置在所述石英玻璃管內(nèi)，且所述冷卻銅管的兩端設(shè)置在所述上蓋板的外側(cè)；

37、冷卻水箱，其與所述冷卻銅管的兩端相連接；

38、循環(huán)泵，其設(shè)置在所述冷卻銅管的出水口和冷卻水箱之間。

39、優(yōu)選的是，所述中心槽的長度和寬度均為30.5mm。

40、本發(fā)明所述的有益效果：

41、本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)的一種基于納米流體沸騰的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于納米流體為工質(zhì)的沸騰相變系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過改變工質(zhì)種類和濃度、加熱溫度和過熱度等條件，在中低熱流密度工況下，獲得納米流體沸騰時(shí)氣泡特性與換熱特性，并根據(jù)特性研究來提高沸騰傳熱性能，進(jìn)而提高能源利用率。