二氧化鈰/水基納米流體核沸騰傳熱特性

郎中敏，吳剛強，赫文秀，韓曉星，茍延夢，李雙瑩

（內蒙古科技大學化學與化工學院，內蒙古自治區(qū)煤化工與煤炭綜合利用重點實驗室，內蒙古包頭014010）

引 言

隨著電子、航天航空、電力等領域對散熱性能的要求越來越高，傳熱性能優(yōu)異的工作流體在強化傳熱技術中的應用日趨緊迫。自Chio[1]提出“納米流體”概念以來，納米材料的應用與傳熱技術的結合使強化傳熱領域具有突破性進展。納米粒子對沸騰傳熱的作用主要表現(xiàn)在兩方面：（1）工作流體的熱物性參數(shù)：導致熱導率、黏度以及表面張力（接觸角）等參數(shù)的變化[2-4]；（2）納米粒子形成沉積薄層：改變加熱表面粗糙度及潤濕性能，甚至形成多孔吸液芯結構促使核化以及液體回流等作用[3,5]。納米流體的傳熱性能主要取決于納米粒子的種類、粒徑、形貌、納米流體質量分數(shù)以及加熱表面特性等方面。

納米流體是含有納米粒子（包括金屬、氧化物、碳化物或碳納米結構等）的懸浮液，金屬及氧化物因具有較高的熱導率常用于納米流體的制備，近年來碳材料（碳納米管[4]、石墨烯[5-6]等）因其高導熱性及優(yōu)良的穩(wěn)定性也在納米流體領域中備受青睞。Hama等[7]比較了多種納米流體（氧化鋁、二氧化鈦、氧化鐵、氧化銅、碳納米管和SiO2）的沸騰傳熱性能及其穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)Fe2O3和CuO納米流體傳熱性能優(yōu)于其他納米流體。Kim 等[8]選用SiO2、ZrO2、Al2O3進行了池沸騰傳熱性能測試，結果表明由于金屬氧化物納米顆粒的沉積而引起表面潤濕性的顯著變化是納米流體影響傳熱的關鍵原因。Park 等[9]采用石墨烯和氧化石墨烯進行沸騰實驗，考察了納米粒子的熱物性對強化沸騰傳熱的影響，由于納米流體熱物理性質的增強明顯改善了池沸騰傳熱性能，并在局部燒干區(qū)觀察到氧化石墨烯納米片沉積于加熱表面促使CHF提高。

目前納米流體研究主要側重于其熱物性方面的作用[10]，實際應用中，還需關注工作流體沉積表面[11-12]、抗菌性能[13]、表面防腐[14]、成本[15]等問題的并存。Ko 等[16]通過胺基團將CeO2粒子覆蓋于電紡聚丙烯腈納米纖維中，結果發(fā)現(xiàn)具有CeO2表面改性的納米纖維材料可防止水體富營養(yǎng)化，并在降低水溶液中的磷酸根離子等方面發(fā)揮了有效作用。與CuO、TiO2、SiO2等納米流體制備材料相比，CeO2是一種成本較低[17]、粒徑可控[18-19]及抗團聚性能強的納米顆粒[20-21]。此外，CeO2/水基納米流體具有高導熱性[22]、良好的穩(wěn)定性[23]、易制備[24]且對環(huán)境友好等特點[25]。綜合考慮以上原因，CeO2納米流體的開發(fā)將有助強化沸騰傳熱技術的發(fā)展，并提供CeO2/水基納米流體沸騰傳熱相關實驗數(shù)據(jù)與分析。

本文提出利用溶膠凝膠法制備高分散CeO2納米粉體，采用兩步法配制CeO2/水基納米流體，考察其沸騰傳熱性能。納米流體傳熱領域眾多研究成果皆顯示出納米流體在較低質量分數(shù)下（0.05%～4%）可獲得最佳效率[24,26-29]，因此在沸騰傳熱實驗中，配制了低質量分數(shù)（0.01%～0.07%）CeO2/水納米流體，考察了不同質量分數(shù)納米流體的熱導率、接觸角變化和沸騰表面顆粒沉積對沸騰傳熱性能的影響，并從氣泡動力學角度分析其強化傳熱機理。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗試劑

Ce(NO3)4(99.9%)，包頭稀土研究院提供；Na2CO3(≥97%) ，滄州順發(fā)德化有限公司；檸檬酸(≥99.5%)，吳江豐昌化工有限公司；乙醇(≥99.8%)，國藥集團有限公司；PEG 1000（AR），青島天鑫化工有限公司；去離子水，自制。

1.2 高分散性CeO2 納米粉體的制備

采用溶膠凝膠法制備CeO2納米粉體，工藝流程圖見圖1。針對傳統(tǒng)溶膠凝膠過程產出的納米粉體團聚現(xiàn)象，本方案加入定量Na2CO3（Na+∶Ce4+=1∶2）作為阻聚劑，與Ce(NO3)4形成共溶物，再加入適量PEG 1000 作為分散劑，充分攪拌混合均勻，然后加入與Ce(NO3)4化學計量相當?shù)臋幟仕岙a生溶膠狀產物，反應90 min 后將產物置入干燥箱蒸發(fā)干燥，脫除水分后得到均勻的固體混合物。經研磨、860℃焙燒后脫碳、脫氮獲得氧化物。再經反復醇洗去除鈉鹽，離心分離后進一步干燥即可得到高分散性納米氧化鈰。

1.3 納米氧化鈰及納米流體熱物性表征

使用北京瑞利有限公司型號為WQF-520 傅里葉變換紅外光譜儀測定CeO2紅外光譜；使用RigaCu公司D/max-RB 型號儀器進行X 射線衍射(XRD)表征CeO2納米顆粒的晶型；使用ZEISS 公司型號為Sigma 500 的掃描電子顯微鏡(SEM)和型號為JEOL 100CX 透射電鏡（TEM）獲得CeO2納米顆粒的形貌表征與顆粒粒徑統(tǒng)計；使用西安夏溪電子科技有限公司的TC3010L 型液體熱導率測量儀，采用瞬態(tài)熱線法測量納米流體的熱導率。為觀察沸騰表面沉積物對沸騰傳熱性能的影響，采用HZM-100型金相顯微鏡，對沸騰后的表面沉積情況進行觀察。同時使用型號為OCA20 型視頻光學接觸角測量儀對去離子水及不同質量分數(shù)氧化鈰納米流體在沸騰前后表面接觸角進行測量。

1.4 實驗裝置

實驗測試系統(tǒng)如圖2 所示，測試組件的核心由耐壓石英玻璃缸體、薄膜電加熱器、冷凝管、溫度測試和壓力傳感器等組成。加熱表面（更換納米流體進行實驗時對加熱表面均進行了重新打磨）、透明石英玻璃缸體、加熱膜緊固形成一個封閉腔體，腔體充入定量的納米流體，形成完整的測試組件。薄膜電加熱器緊密貼附于加熱表面的加熱區(qū)部分，3支高精度的熱電偶貼附于加熱表面底部測試基板溫度，2 支熱電偶分布于工作流體內部測試液體溫度；整個測試元件具有良好的保溫隔熱性，確保熱損失小于5%。CCD 高速相機和記錄系統(tǒng)（Photron FASTCAM-SA-X2 Viewer）用來觀察和記錄氣泡動力學特征。測試組件中工作流體的沸騰由薄膜電加熱器加熱，電加熱由精度較高的直流電源（WYJ-200V10A）提供，測量的電流和電壓輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)紀錄保存。

如圖7(a)所示，不同質量分數(shù)納米流體在光滑純銅表面的接觸角變化，隨著納米流體質量分數(shù)的增加，其接觸角逐漸增加（50.5°～92.9°）。如圖7(b)所示，去離子水在沸騰后沉積表面的接觸角相比于沸騰前光滑表面同樣有所增大（51.4°～134.4°）。在沸騰初期，較大接觸角可促進氣泡成核，增大核化點密度；納米粒子的沉積形成微納米多孔結構，可改變表面潤濕性，疏水表面可提前起沸，但同時展現(xiàn)出臨界熱通量的顯著下降而惡化傳熱。在本實驗中，接觸角無論在沸騰前光滑表面，還是在沸騰后沉積表面都存在較大差異，是影響沸騰傳熱的重要因素。

2 實驗結果與討論

2.1 納米CeO2結構與形貌的表征

圖2 池沸騰傳熱性能測試系統(tǒng)Fig.2 Schematic of pool boiling setup

本文利用溶膠凝膠法，加入Na2CO3作為阻聚劑以改善納米粒子團聚現(xiàn)象，起到顯著效果，制得高分散性納米氧化鈰。納米氧化鈰紅外光譜如圖3(a)所示，3440 cm-1為游離水中O—H 基團的伸縮振動,1642 cm-1吸收峰為結合水H—O—H彎曲振動，1394和1147 cm-1出現(xiàn)的峰是CeO2晶體中Ce—O 的伸縮振動峰[30]。納米氧化鈰XRD 圖譜如圖3(b)所示，XRD 衍 射峰 位于 與 平 面(111)、(200)、(220)、(311)、(400)相對應的28.34°、33.23°、46.91°、57.17°、68.52°的角度(2θ)，與JCPDS＃00-043非常吻合[31]。對比未添加和添加阻聚劑的納米氧化鈰SEM 圖像[圖3(c)、(d)]，阻聚劑的添加可以明顯改善納米粒子團聚；TEM 圖像[圖3(e)、(f)]顯示納米粒子的優(yōu)異分散性，粒徑在50 nm左右，分布較均勻。

“雙課堂”是指在線網(wǎng)絡課堂和面授課堂。在線課堂以知識樹形式展開，具備清晰的學習脈絡，全面的知識節(jié)點和時間節(jié)點。學生可以很方便地自主學習，不受時間、空間的影響，還可以安排經典的題目進行小組討論，如：子類父類的選取，動態(tài)數(shù)組的使用等等。面授課堂中教師對整班同學進行集中輔導，梳理教材知識點，并對于重點和難點進行現(xiàn)場演示講解，制定下一次課的預習計劃，并對上一次課的復習情況進行集中點評，幫助學生突破線上課程學習中遇到的難點。

2.2 沸騰曲線分析

圖3 溶膠凝膠法合成納米氧化鈰的表征Fig.3 Characterizations of nanosized CeO2 synthesized by sol-gel method

利用兩步法制得CeO2/水基納米流體測試其沸騰傳熱性能。圖4 為常壓下質量分數(shù)分別為0.01%、0.03%、0.05%和0.07%CeO2/水納米流體的沸騰曲線。圖4(a)表示不同質量分數(shù)納米流體熱通量與過熱度關系的實驗結果。如圖所示，所有納米流體的沸騰傳熱性能均高于去離子水，納米流體起沸點明顯低于去離子水；在相同的過熱度條件下，與去離子水相比，觀察到的CeO2納米流體的熱通量增加。質量分數(shù)為0.01%、0.03% 和0.05%的CeO2納米流體的沸騰性能隨質量分數(shù)的增加而提高，但當質量分數(shù)達到0.07%時，其傳熱性能有所下降。

h——傳熱系數(shù)，kW·cm-2·K

圖6為使用激光共聚焦顯微鏡拍攝不同質量分數(shù)CeO2納米流體沸騰后(放置24 h 后)表面沉積圖像，隨納米流體質量分數(shù)的增大，其表面沉積情況越來越顯著。隨沸騰過程的進行，納米粒子發(fā)生團聚沉積，納米顆粒沉積層形成微-納米多孔結構，多孔結構可促進氣泡核化以及液體回流，從而強化沸騰傳熱；而當沉積層過厚，會產生附加熱阻而惡化傳熱。此外，隨沉積層面積增大，其表面氧化程度減輕，說明CeO2具有一定的抗氧化作用。

圖4 CeO2/水基納米流體沸騰傳熱性能曲線Fig.4 Boiling heat transfer performance curves of CeO2/deionized water nanofluids

圖5 熱導率隨CeO2納米流體質量分數(shù)的變化Fig.5 Thermal conductivity ratio of CeO2/DW nanofluids as a function of mass fraction

2.3 CeO2納米流體熱導率

（3）通過CeO2/水基納米流體的熱導率、沸騰前后接觸角以及表面沉積現(xiàn)象的觀察，熱導率隨納米流體質量分數(shù)的增大而增大，但本實驗范圍內增加幅度不超過1%，接觸角也隨納米流體質量分數(shù)的增大而增大，同時在沸騰后沉積表面也有較大增幅，表面沉積現(xiàn)象也隨質量分數(shù)的增加越來越明顯。經分析，接觸角以及表面沉積現(xiàn)象是影響沸騰傳熱的主要因素。

2.4 納米流體沸騰后表面沉積

圖4(b)表示不同質量分數(shù)CeO2納米流體的池沸騰傳熱系數(shù)與熱通量關系曲線。沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量增加而增大，熱通量增加會加速氣泡成核速率及生長速率，同時氣液兩相微觀/宏觀對流的加劇也會強化沸騰傳熱。所有納米流體傳熱系數(shù)均高于去離子水，且在質量分數(shù)為0.01%～005%范圍內，池沸騰傳熱系數(shù)隨納米流體的質量分數(shù)的增加而升高；當質量分數(shù)達0.07%時，傳熱系數(shù)稍有降低；其質量分數(shù)存在最佳值，在本實驗范圍內質量分數(shù)為0.05%時傳熱系數(shù)達最大值，其傳熱系數(shù)較去離子水提高36%。與其粒徑范圍相近的TiO2/水納米流體，當質量分數(shù)為0.001%時，其傳熱系數(shù)達到最大值，較去離子水增加15%[32]；對于CuO/水納米流體，當質量分數(shù)為0.2%時，其最佳傳熱系數(shù)較去離子水增加35%以上[32]；對于納米流體最佳傳熱性能的質量分數(shù)高度依賴于納米粒子的類型。

Pl——毛細驅動壓力，Pa

圖6 不同質量分數(shù)CeO2納米流體沸騰后表面沉積情況Fig.6 Surface deposition after boiling with different mass fractions of CeO2 nanofluids

2.5 納米流體表面接觸角

表面潤濕性是相變傳熱過程重要影響因素，CeO2納米流體的接觸角高于去離子水，并隨質量分數(shù)增加而增加，如圖7所示。Cole[33]引入了自由能降低因子f(θ)，并給出了固液界面成核的過熱度關聯(lián)式

如果液體可以完全潤濕固體表面，接觸角θ=0°，f(θ)=1/2，則所需的成核自由能等于均相成核值。相反當θ=180°，f(θ)= 0，則當過熱度ΔT=0 時即可成核。因此，接觸角對氣泡成核具有重要作用。

這樣可以讓客戶感覺我們的專業(yè)化。特別是在回訪時發(fā)現(xiàn)了問題，一定要及時給予解決方案，最好在當天或第二天到現(xiàn)場與客戶進行問題處理。

圖7 CeO2納米流體及去離子水接觸角測量Fig.7 Static contact angle of CeO2 nanofluids and deionized water

本測試裝置熱電偶的最大校正誤差為±0.2 K，系統(tǒng)壓力測量誤差為±7.51%；測試系統(tǒng)熱損為4.8%；加熱面積誤差為±2%；整個系統(tǒng)沸騰傳熱系數(shù)的誤差為±10.4%。

3 沸騰可視化分析

圖8 不同質量分數(shù)CeO2納米流體在不同熱通量條件下的沸騰狀態(tài)Fig.8 Boiling images of CeO2 nanofluids with different mass fractions at different heat flux

為能對納米流體的沸騰過程進行更深入的研究，本實驗采用Photron FASTCAM-SA-X2 Viewer高速攝像系統(tǒng)拍攝沸騰過程圖像。圖8顯示了不同質量分數(shù)CeO2納米流體在不同熱通量條件下的沸騰狀態(tài)。圖8(a)～(d)分別表示去離子水，質量分數(shù)分別為0.03%、0.05%和0.07%在不同熱通量條件下的核沸騰狀態(tài)。從圖中可以看出，在沸騰初始階段，納米流體較去離子水具有較大的氣泡密度。分析認為，由于納米流體的疏水性能，導致起沸提前，易形成核化點，增大氣泡密度。隨熱通量增加，核化點逐漸被激活，核態(tài)沸騰傳熱性能增加，繼續(xù)增加熱通量，沸騰加劇，部分氣泡開始合并。但質量分數(shù)為0.05%納米流體，氣泡仍保持相對孤立脫離狀態(tài)，合并較弱[圖8(c)]。分析認為由于納米粒子開始出現(xiàn)沉積層，導致核化點密度增大，且該沉積層形成吸液芯結構，有助于液體回流及時補充氣泡生長所需。液體回流主要受毛細力驅動，根據(jù)Young-Laplace方程，毛細驅動壓力Pl的計算公式為[34]

式中，γ為表面張力，R為毛細管半徑，θ為液體在毛細管壁的接觸角。納米顆粒形成的沉積層將使毛細力變大，液體回流速率加快。但當沉積層厚度過大（質量分數(shù)為0.07%表面沉積層見圖6），導致表面導熱熱阻增大，且過大的接觸角也將使氣泡脫離頻率減小，造成氣泡合并現(xiàn)象。綜合以上分析，表面疏水性促進氣泡核化，同時，沉積層多孔吸液芯結構加速液體回流，是強化沸騰傳熱性能的主要因素。

采購流程制度中應明確規(guī)定各項物資采購的具體流程，加強采購工作的計劃性和實施調整的及時性。比如每月初制定采購計劃、月中更新、月末總結調整。同時在采購工作中應建立定期物資庫存盤點措施，及時把握物資的進貨和庫存數(shù)量，保證生產需要，同時有利于采購計劃制定的準確性，這樣可以減少不必要的庫存，促進適時適量采購所需物資。

4 結 論

本文采用溶膠-凝膠法，并在其中加入阻聚劑碳酸鈉制備均勻、高分散性納米氧化鈰，采用兩步法制備CeO2/水納米流體，對其進行沸騰傳熱性能測試，并利用CCD高速攝像機進行可視化分析。

（1）在溶膠-凝膠法添加碳酸鈉阻聚劑制備納米CeO2，有效改善了納米粒子的團聚現(xiàn)象，納米CeO2粒徑在50 nm左右，粒徑較為均勻。

患者在藥師協(xié)作下制定家庭健康計劃，如戒煙計劃、肺康復計劃（有效排痰、呼吸肌鍛煉、肌肉鍛煉、營養(yǎng)支持、家庭氧療等）、飲食生活計劃（避免室內外空氣污染等誘因、飲食指導、運動注意事項等）以及教育患者關注的急性期癥狀（痰色變化、呼吸困難加重等）及處理措施（及時就診等），將具體步驟列在表中，囑咐患者在日常生活中記錄以上實際行為，以便藥師在下次隨訪時對比計劃與實際行為，對患者提出建議與激勵，從而提高患者依從性。

（2）在本實驗范圍內，CeO2/水基納米流體強化沸騰的最佳質量分數(shù)為0.05%，其傳熱系數(shù)較去離子水提高36%。

以不同質量分數(shù)CeO2/水納米流體作為樣品，測試其熱導率，如圖5所示，隨納米流體質量分數(shù)的增加，其熱導率隨之增大，當質量分數(shù)為0.11%時，其熱導率是純水的1.01 倍，其增加幅度有限，可見熱導率并不是強化沸騰傳熱的主要因素。

觀察組患者的護理依從率為97.77%，高于對照組的73.89%，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表2。

（4）可視化圖像顯示，在沸騰初期，強化傳熱主要因核化點密度引起；隨熱通量的增加，納米粒子沉積形成多孔結構，加速液體回流，強化對流傳熱。

符 號 說 明

王劍波先生：汽車新四化風起云涌，這給康寧帶來了巨大的挑戰(zhàn)與機遇。對于汽車玻璃而言，主機廠提出了更高的要求，比如更高的光學指標，更輕更堅固的物理指標。這些恰好是大猩猩玻璃的強項。我們參與汽車玻璃市場開始于2013年，目前已經和超過25家主機廠進行深度合作，服務的汽車品牌超過50個。我們的產品主要分為三類：“汽車內飾”，即儀表中控和娛樂系統(tǒng)的玻璃面板；“外飾”，即汽車風窗玻璃和車門玻璃；“未來”，即面向未來的產品研發(fā)。因為這些項目還沒有量產，所以今天就不和大家分享了。

1.7.3 脾細胞介導羊紅細胞定量溶血分光度實驗(QHS) 按照鐘昕[8]方法，分別制備補體、SRBC懸液和脾細胞懸液。將0.25 mL SRBC，0.25 mL脾細胞懸液和0.25 mL補體混合，37℃反應60 min，3 000 r/min離心3 min，吸取上清測定413 nm吸光值?？瞻讓φ沼蒙睇}水代替補體。

q——熱通量，kW·cm-2

我明顯可以聽出，婆婆的好幾個姐妹都在，她放下電話后開始一條條數(shù)落我的“不懂事”：公公風濕嚴重，墨魚嘌呤含量高，吃了最易引發(fā)痛風，我居然還買這個送過去，真是“不懂事”；每天就知道看書，見人一句囫圇話都說不好，她兒子娶了我好辛苦，因為“都得靠自己”；在私企工作，待遇沒保障，到時我老了還得吃她兒子的養(yǎng)老金……

T——溫度，K

ΔT——過熱度，K

γ——表面張力，N

θ——接觸角，(°)

教育是什么？如果不問這個問題，我們似乎憑借已有的經驗能回答出來；但是如果追根溯源，非要弄清這個問題，似乎我們又回答不上來。雅斯貝爾斯說過：“教育不過是人對人的主體間靈肉交流活動（尤其是老一代對年輕一代），包括只是內容的傳授、生命內涵的領悟、意志行為的規(guī)范，并通過文化傳遞的功能，將文化遺產教給年輕的一代，使他們自由地生成，并啟迪其自由天性?！?/p>

λ——熱導率，W·m-1·K-1

該公司炭黑5號生產線尾氣前饋串級控制方案投運前，自2018年8月27日0時開始，12 h內的炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄見表1所例。

下角標

l——液體

sat——飽和

w——壁面