專利名稱：：碳納米管減阻納米流體的制備方法
技術領域：
：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、熱交換
技術領域：
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背景技術：
：對節(jié)能的迫切需求是減阻(drag-reduction)研究的動力。長期以來，在一切涉及到有粘性流體運動的領域，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性質(zhì)或添加減阻添加劑于流動邊界層，以改變邊界層流動的運動學和動力學特性，從而達到減阻目的的技術。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)下減小流體流動阻力，這種方法稱為添加劑減阻。添加劑減阻是非牛頓流動的所有現(xiàn)象中最具有技術經(jīng)濟及科學意義的現(xiàn)象之一。添加劑減阻因為其成本低、操作簡單、能量消耗少等特點，成為非常理想的減阻方式。添加劑減阻方面的研究成果，對國民經(jīng)濟和國防建設有重要的作用。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)，如動力、冶金、石油、化工、航空、電子、核能等領域內(nèi)，換熱都起著重要的作用。強化換熱是隨著工程需要而不斷發(fā)展的一門技術，是世界上能源研究的重要課題。換熱效率直接關系到設備運行效率、尺寸大小和初投資、節(jié)能性等重要性能。現(xiàn)如今，由于科學技術的進步，各種設備的性能越來越強，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，由于其較低的導熱系數(shù)，已經(jīng)很難適應新時代對熱交換設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。有很多學者就此進行了研究，并取得了一定成果。近年來，碳納米管(carbonnanotube，CNT)被發(fā)現(xiàn)具有非常高的導熱能力，這一發(fā)現(xiàn)讓納米流體領域得到了進一步的發(fā)展。上述兩種技術都非常具有實用性。但是，表面活性劑減阻流體在減小流體輸運阻力的同時，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阻力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，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兼有減阻流體和納米流體在流動輸運和換熱上各自的優(yōu)點。為實現(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)。通過實驗的方法，得到一種合適配比的碳納米管減阻納米流體，使其減阻和強化傳熱性能最優(yōu)化。本發(fā)明可應用的管徑范圍為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，以達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。2)過濾液體，得到碳納米管固體，用去離子水將之反復清洗。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，即得目標產(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，將兩種流體的優(yōu)點集為一身，將其各自的缺點最小化，從而有效的降低了流體輸運泵功，同時大大強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過程中減小流動阻力的特性，又同時兼有納米流體強化換熱特性，具有非常樂觀的應用前景。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。具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。以下實施例中的參數(shù)不構成對本發(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l-2nm。為了驗證本發(fā)明所述碳納米管減阻納米流體的流動和換熱特性，搭建了對流換熱和阻力測試實驗臺，其中實驗管道長1.08m，內(nèi)徑25.6mm，外徑28mm。實驗驗證流動雷諾數(shù)范圍為4000~10000。實驗驗證范圍為添加劑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。在實驗驗證范圍內(nèi)，均可取得降低阻力和強化換熱的效果。實施例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。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，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。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，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。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，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，給出兩個性能指標定義式，這兩項性能指標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個實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化換熱性能，這些性能對運行溫度都有強烈的依賴性-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化換熱特性都有強烈的溫度依賴性。在常溫下，3個實施例都具備一定程度的減阻特性，其中實施例3減阻效果最佳。然而，此時3個實施例的平均換熱系數(shù)比都在0.72以下，即此時流體的換熱能力不如純水。當運行溫度提高到48'C時，3個實施例的減阻特性完全消失，并且強化換熱特性都超過了1，其中實施例3的平均換熱系數(shù)比最高，為1.55。本發(fā)明所有實施例從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烈的溫度依賴性，使其在應用中前景廣闊首先，流體在常溫下進輸運管道，此時碳納米管減阻納米流體的減阻率達到最大，為52%左右，可節(jié)約大概一半的泵功，這時雖然換熱劣化，但此時并不需要進行換熱；當進入換熱器后，由于換熱器溫度較高，在加熱流體的同時，使流體的減阻性能削弱，而強化換熱性能增強，換熱系數(shù)與水相比可達1.55左右；流體出換熱器進入輸運管道時，流體溫度再次下降，強化換熱性能削弱，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際應用中極為靈活，可按照設計需要將本發(fā)明的碳納米管減阻納米流體非常便利的應用在各種環(huán)境。權利要求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，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，即得目標產(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，同時加入一定比例的CTAC，再超聲波振蕩10-14小時，即制得碳納米管減阻納米流體。本發(fā)明可應用的管徑范圍為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過程中減小流動阻力的特性，又同時兼有納米流體強化換熱特性。文檔編號F28F23/00GK101391184SQ20081020163公開日2009年3月25日申請日期2008年10月23日優(yōu)先權日2008年10月23日發(fā)明者劉振華,亮廖,楊雪飛,琳陸申請人:上海交通大學