專利名稱：：碳納米管減阻納米流體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種碳納米管減阻納米流體的制備方法，屬于液體輸運(yùn)、熱交換
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：對(duì)節(jié)能的迫切需求是減阻(drag-reduction)研究的動(dòng)力。長(zhǎng)期以來，在一切涉及到有粘性流體運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)域，從內(nèi)流到外流，人們都在找尋減少流體阻力的方法。粘性減阻方法是依靠改變邊界材料的物理力學(xué)性質(zhì)或添加減阻添加劑于流動(dòng)邊界層，以改變邊界層流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，從而達(dá)到減阻目的的技術(shù)。在流體中加入少量的添加劑(如泥沙、纖維、高分子聚合物、表面活性劑等)，能在湍流狀態(tài)下減小流體流動(dòng)阻力，這種方法稱為添加劑減阻。添加劑減阻是非牛頓流動(dòng)的所有現(xiàn)象中最具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)意義的現(xiàn)象之一。添加劑減阻因?yàn)槠涑杀镜?、操作?jiǎn)單、能量消耗少等特點(diǎn)，成為非常理想的減阻方式。添加劑減阻方面的研究成果，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)有重要的作用。在添加劑減阻中，使用最廣泛的是表面活性劑減阻。另一方面，在各種行業(yè)，如動(dòng)力、冶金、石油、化工、航空、電子、核能等領(lǐng)域內(nèi)，換熱都起著重要的作用。強(qiáng)化換熱是隨著工程需要而不斷發(fā)展的一門技術(shù)，是世界上能源研究的重要課題。換熱效率直接關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行效率、尺寸大小和初投資、節(jié)能性等重要性能?，F(xiàn)如今，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種設(shè)備的性能越來越強(qiáng)，伴隨而來的散熱也越來越大，傳統(tǒng)的純液體換熱工質(zhì)，如水、油、醇等，由于其較低的導(dǎo)熱系數(shù)，已經(jīng)很難適應(yīng)新時(shí)代對(duì)熱交換設(shè)備的高效緊湊性要求。因此，要解決此問題，必須從根本入手，找到提高工質(zhì)換熱能力的方法。如何解決好傳統(tǒng)散熱工質(zhì)在散熱能力上的瓶頸，是迫切需要解決的問題。提高工質(zhì)換熱能力的一種有效方式，是往工質(zhì)里添加納米級(jí)固體金屬或金屬氧化物顆粒，由于金屬或金屬氧化物顆粒具有比液體(水、油等)高得多的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，往液體里添加固體顆粒能夠提高固液混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，從而加大工質(zhì)的換熱能力，這種方法得到的固體顆粒懸浮液叫做納米流體。有很多學(xué)者就此進(jìn)行了研究，并取得了一定成果。近年來，碳納米管(carbonnanotube，CNT)被發(fā)現(xiàn)具有非常高的導(dǎo)熱能力，這一發(fā)現(xiàn)讓納米流體領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。上述兩種技術(shù)都非常具有實(shí)用性。但是，表面活性劑減阻流體在減小流體輸運(yùn)阻力的同時(shí)，大大降低了流體的換熱能力，這是表面活性劑減阻流體的最大缺點(diǎn)之一。而納米流體能夠一定程度上提高流體的換熱能力，卻也稍增加了流體的流動(dòng)阻力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳納米管減阻納米流體的制備方法，制備的新型流體能同時(shí)兼有減阻流體和納米流體在流動(dòng)輸運(yùn)和換熱上各自的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用去離子水為基液，添加物有兩種氯化十六烷基三甲基季銨鹽(cetyltrimethylammoniumchloride,CTAC)陽離子表面活性劑，和碳納米管(carbonnanotube,CNT)。通過實(shí)驗(yàn)的方法，得到一種合適配比的碳納米管減阻納米流體，使其減阻和強(qiáng)化傳熱性能最優(yōu)化。本發(fā)明可應(yīng)用的管徑范圍為l~40cm，雷諾數(shù)范圍4000~100000。在制備碳納米管減阻納米流體之前，CNT需經(jīng)過一定處理，打散CNT互相之間的纏繞狀態(tài)，在CNT.上加上親水集團(tuán)，以達(dá)到能將其在去離子水中穩(wěn)定懸浮的目的。本發(fā)明的碳納米管減阻納米流體的制備方法具體為1)將碳納米管粉體浸入堿液，堿液必須沒過粉體，放入超聲波振蕩器(工作頻率25~40kHz)，在4060。C下超聲振蕩5~8小時(shí)。2)過濾液體，得到碳納米管固體，用去離子水將之反復(fù)清洗。3)得到清洗后的碳納米管，放入電爐在12014(TC溫度下烘干。4)將氯化十六烷基三甲基季銨鹽粉體加入水中，靜置24小時(shí)待其完全溶解，再加入烘干后的碳納米管粉體，配制成混合溶液；混合溶液中碳納米管粉體的質(zhì)量濃度為0.5~4%，氯化十六垸基三甲基季銨鹽粉體的質(zhì)量濃度為0.003~0.1%。5)將混合溶液置入超聲波振蕩器中，在103(TC下超聲振蕩10~14小時(shí)，即得目標(biāo)產(chǎn)物碳納米管減阻納米流體；其中，超聲波振蕩器的工作頻率為2540kHz。本發(fā)明制備方法中的CTAC的有效濃度范圍可根據(jù)不同的工況(管徑、雷諾數(shù))而選擇。添加物配比不合適，將直接影響碳納米管減阻納米流體的流動(dòng)和傳熱性能。本發(fā)明所述的碳納米管減阻納米流體很好的利用了CTAC減阻流體和CNT納米流體對(duì)溫度的依賴性，使其在不同溫度范圍內(nèi)發(fā)揮各自最大的優(yōu)勢(shì)，將兩種流體的優(yōu)點(diǎn)集為一身，將其各自的缺點(diǎn)最小化，從而有效的降低了流體輸運(yùn)泵功，同時(shí)大大強(qiáng)化了流體在換熱器內(nèi)的換熱效率。這種新型的碳納米管減阻納米流體既具有減阻流體在輸運(yùn)過程中減小流動(dòng)阻力的特性，又同時(shí)兼有納米流體強(qiáng)化換熱特性，具有非常樂觀的應(yīng)用前景。圖1為本發(fā)明所述碳納米管減阻納米流體的制備流程圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例中的參數(shù)不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。本發(fā)明所用CTAC為南京旋光科技有限公司生產(chǎn)，CNT為深圳納米港有限公司生產(chǎn)，直徑10-20nm，長(zhǎng)l-2nm。為了驗(yàn)證本發(fā)明所述碳納米管減阻納米流體的流動(dòng)和換熱特性，搭建了對(duì)流換熱和阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其中實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)1.08m，內(nèi)徑25.6mm，外徑28mm。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流動(dòng)雷諾數(shù)范圍為4000~10000。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為添加劑CTAC質(zhì)量濃度為0.003~0.1%，較佳濃度選擇0.010.04%，其中存在一個(gè)最佳濃度為0.03%。固體粒子添加物CNT質(zhì)量濃度0.5M4M，質(zhì)量濃度越高，換熱效果越好，4%為最佳濃度。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍內(nèi)，均可取得降低阻力和強(qiáng)化換熱的效果。實(shí)施例l>將100gCNT粉體浸入20%NaOH溶液，并被NaOH溶液淹沒，放入超聲波振蕩器，在5(TC下超聲振蕩5小時(shí)。超聲波振蕩器的工作頻率為25kHz。>過濾液體，得到CNT固體，用去離子水將之反復(fù)清洗。>得到清洗后的CNT，放入電爐在120'C溫度下烘干。>將2gCTAC粉體加入20kg去離子水中，再收集烘干后的CNT粉體加入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。>將得到的混合溶液置入超聲波振蕩器中，常溫下振蕩10小時(shí)，超聲波振蕩器的工作頻率為25kHz。收集振蕩之后的混合液，即得CTAC質(zhì)量濃度為0.01%,CNT質(zhì)量濃度為0.5%的碳納米管減阻納米流體。實(shí)施例2>將400gCNT粉體浸入20%NaOH溶液，并被NaOH溶液淹沒，放入超聲波振蕩器，在5(TC下超聲振蕩5小時(shí)。超聲波振蕩器的工作頻率為30kHz。>過濾液體，得到CNT固體，用去離子水將之反復(fù)清洗。>得到清洗后的CNT,放入電爐在12(TC溫度下烘干。>將8gCTAC粉體加入20kg去離子水中，再收集烘干后的CNT粉體加入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。>將得到的混合溶液置入超聲波振蕩器中，常溫下振蕩10小時(shí)，超聲波振蕩器的工作頻率為30kHz。收集振蕩之后的混合液，即可制得CTAC質(zhì)量濃度為0.04%，CNT質(zhì)量濃度為2%的碳納米管減阻納米流體。實(shí)施例3>將800gCNT粉體浸入20。/。NaOH溶液，并被NaOH溶液淹沒，放入超聲波振蕩器，在50'C下超聲振蕩5小時(shí)。超聲波振蕩器的工作頻率為40kHz。>過濾液體，得到CNT固體，用去離子水將之反復(fù)清洗。>得到清洗后的CNT，放入電爐在12(TC溫度下烘干。>將6gCTAC粉體加入20kg去離子水中，再收集烘干后的CNT粉體加入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。>將得到的混合溶液置入超聲波振蕩器中，常溫下振蕩10小時(shí)，超聲波振蕩器的工作頻率為40kHz。收集振蕩之后的混合液，即可制得CTAC質(zhì)量濃度為0.03%，CNT質(zhì)量濃度為4%的碳納米管減阻納米流體。為了說明碳納米管減阻納米流體的優(yōu)點(diǎn)，給出兩個(gè)性能指標(biāo)定義式，這兩項(xiàng)性能指標(biāo)均是越大性能越好減阻納米流體阻力系數(shù)減阻率=1-換熱系數(shù)比=去離子水的阻力系數(shù)減阻納米流體換熱系數(shù)(1)(2)去離子水的換熱系數(shù)表1列出了3個(gè)實(shí)施例所得到的不同濃度碳納米管減阻納米流體的減阻和強(qiáng)化換熱性能，這些性能對(duì)運(yùn)行溫度都有強(qiáng)烈的依賴性-表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表1數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明碳納米管減阻納米流體的減阻特性和強(qiáng)化換熱特性都有強(qiáng)烈的溫度依賴性。在常溫下，3個(gè)實(shí)施例都具備一定程度的減阻特性，其中實(shí)施例3減阻效果最佳。然而，此時(shí)3個(gè)實(shí)施例的平均換熱系數(shù)比都在0.72以下，即此時(shí)流體的換熱能力不如純水。當(dāng)運(yùn)行溫度提高到48'C時(shí)，3個(gè)實(shí)施例的減阻特性完全消失，并且強(qiáng)化換熱特性都超過了1，其中實(shí)施例3的平均換熱系數(shù)比最高，為1.55。本發(fā)明所有實(shí)施例從22。C到48'C的減阻和換熱特性變化都是逐漸發(fā)生的，呈光滑曲線式，其中沒有任何突變現(xiàn)象。本發(fā)明的碳納米管減阻納米流體這種強(qiáng)烈的溫度依賴性，使其在應(yīng)用中前景廣闊首先，流體在常溫下進(jìn)輸運(yùn)管道，此時(shí)碳納米管減阻納米流體的減阻率達(dá)到最大，為52%左右，可節(jié)約大概一半的泵功，這時(shí)雖然換熱劣化，但此時(shí)并不需要進(jìn)行換熱；當(dāng)進(jìn)入換熱器后，由于換熱器溫度較高，在加熱流體的同時(shí)，使流體的減阻性能削弱，而強(qiáng)化換熱性能增強(qiáng)，換熱系數(shù)與水相比可達(dá)1.55左右；流體出換熱器進(jìn)入輸運(yùn)管道時(shí)，流體溫度再次下降，強(qiáng)化換熱性能削弱，減阻性能產(chǎn)生。從而使本發(fā)明的碳納米管減阻納米流體在實(shí)際應(yīng)用中極為靈活，可按照設(shè)計(jì)需要將本發(fā)明的碳納米管減阻納米流體非常便利的應(yīng)用在各種環(huán)境。權(quán)利要求1、一種碳納米管減阻納米流體的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)將碳納米管粉體浸入堿液并使堿液沒過粉體，放入超聲波振蕩器，在40～60℃下超聲振蕩5～8小時(shí)，超聲波振蕩器的工作頻率為25～40kHz；2)過濾液體，得到碳納米管固體，用去離子水反復(fù)清洗；3)將清洗后的碳納米管放入電爐，在120～140℃溫度下烘干；4)將烘干后的碳納米管粉體加到去離子水中，再加入氯化十六烷基三甲基季銨鹽粉體，配制成混合溶液；混合溶液中碳納米管粉體的質(zhì)量濃度為0.5～4％，氯化十六烷基三甲基季銨鹽粉體的質(zhì)量濃度為0.003～0.1％；5)將混合溶液置入超聲波振蕩器中，在10～30℃下超聲振蕩10～14小時(shí)，即得目標(biāo)產(chǎn)物碳納米管減阻納米流體；其中，超聲波振蕩器的工作頻率為25～40kHz。全文摘要本發(fā)明涉及一種碳納米管減阻納米流體的制備方法，以去離子水為基液，添加表面活性劑氯化十六烷基三甲基季銨鹽CTAC，納米級(jí)固體顆粒碳納米管CNT。將CNT浸入堿液超聲波振蕩處理，將過濾所得CNT粉體清洗烘干后加入去離子水中，同時(shí)加入一定比例的CTAC，再超聲波振蕩10-14小時(shí)，即制得碳納米管減阻納米流體。本發(fā)明可應(yīng)用的管徑范圍為1～40cm，雷諾數(shù)范圍4000～100000。CTAC有效濃度范圍根據(jù)不同的工況(管徑、雷諾數(shù))而選擇。添加物的配比將直接影響碳納米管減阻納米流體的流動(dòng)和傳熱性能。本發(fā)明的碳納米管減阻納米流體既具有減阻流體在輸運(yùn)過程中減小流動(dòng)阻力的特性，又同時(shí)兼有納米流體強(qiáng)化換熱特性。文檔編號(hào)F28F23/00GK101391184SQ20081020163公開日2009年3月25日申請(qǐng)日期2008年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日發(fā)明者劉振華,亮廖,楊雪飛,琳陸申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)