一种提升液体水潜热的水溶液及其应用

本发明涉及一种液体添加剂及其应用及水基发汗冷却工质制备方法，属于发汗冷却和相变热管理。

背景技术：

1、发汗冷却是一种主动热防护方法，其基本过程为：冷却工质在压力驱动下流经多孔介质或多孔壁面，在受热区域内吸收热量，并可进一步发生相变吸热和气相逸出，从而降低受热结构温度，并在外表面形成冷却作用。该方法可用于航空航天热防护、发动机热防护、高热流密度多孔介质冷却以及其他相变热管理场景。

2、水具有比热容较高、汽化潜热较大、成本低和环境友好等特点，是水基发汗冷却和相变冷却中常用的工质。然而，在质量、体积以及可用温度窗口受限的应用场景中，水基工质能够提供的总吸热量受到其自身热物性的限制。尤其是在飞行器热防护、紧凑式热管理和多孔介质冷却等场景中，冷却工质的携带量和储存体积通常受到严格限制，因此，仅依赖纯水的显热和汽化潜热，难以进一步提高单位质量或单位体积工质的吸热能力。

3、为改善水基工质的冷却性能，现有技术中已提出多种添加剂改性方法。例如，在水中分散金属氧化物、碳材料或硅基纳米颗粒，可在一定程度上改善工质的导热或换热特性；在水中加入乙二醇、丙二醇等有机共溶剂，也可调节工质的沸点、凝固点和界面传输行为。但是，颗粒型添加剂在高温蒸发和多孔通道流动过程中可能发生团聚、沉积或堵塞，从而带来压降增加和换热恶化的风险；水溶性有机共溶剂虽然能够调节沸腾行为，但其加入会改变水相比例，并可能对体系的总蒸发吸热能力产生不利影响。

4、除运行过程中的吸热和换热性能外，实际发汗冷却工质还需要考虑非工作状态下的储存稳定性和工程适用性。例如，水基工质在开放或半开放储存环境中容易发生水分蒸发，导致组分漂移；长期储存或反复使用过程中还可能存在微生物污染风险；同时，工质还需要与多孔陶瓷、金属或复合材料等结构材料保持相容性。现有水基工质改性方案多集中于单一换热指标或单一节能效果，在同时兼顾相变吸热能力、流动沸腾换热、抗蒸发、抗菌以及材料兼容性方面仍有改进空间。

5、因此，有必要提供一种适用于水基发汗冷却的液体添加剂及其应用方法，使其能够在不引入固体颗粒的情况下，改善水基工质的相变吸热能力，并兼顾多孔介质内流动沸腾换热、非工作状态下水分保持、微生物抑制以及与多孔材料的兼容性。

技术实现思路

1、本发明为解决现有水基发汗冷却工质在高热流密度热防护应用中存在不足的问题，进而提出一种提升液体水潜热的水溶液及其应用。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述一种提升液体水潜热的水溶液是由有机阳离子和阴离子组成的亲水性离子液体。

3、进一步的，有机阳离子是咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、有机铵离子、膦鎓离子、胆碱离子中的一种或多种。

4、进一步的，有机阴离子是羧酸根、羟基羧酸根、磺酸根、硫酸酯根、磷酸酯根、卤离子中的一种或多种。

5、本发明所述一种提升液体水潜热的水溶液用于制备发汗冷却水基工质中，液体添加剂加入水中后形成改性水基发汗冷却工质。

6、进一步的，液体添加剂在改性水基发汗冷却工质中的质量分数为5%～20%。

7、进一步的，改性水基发汗冷却工质用于多孔介质发汗冷却。

8、进一步的，多孔介质是陶瓷多孔介质、金属多孔介质、硅基多孔介质或复合材料多孔介质中的一种。

9、进一步的，陶瓷多孔介质是氧化铝基陶瓷、氧化锆基陶瓷或碳化硅基复合陶瓷中的一种。

10、本发明所述一种提升液体水潜热的水溶液的制备方法是通过如下步骤实现的：

11、步骤1、称取液体添加剂和水；

12、步骤2、将液体添加剂放入水中，搅拌至形成均一溶液，得到水基发汗冷却工质。

13、进一步的，步骤1中液体添加剂的质量份数为5%~20%。

14、本发明的有益效果是：

15、1、本发明提出一种基于非共价相互作用调控水基工质相变吸热行为的液体添加剂应用方法。所述液体添加剂能够与水形成均一溶液，并通过氢键作用、离子-偶极作用、偶极-偶极作用或其他非共价相互作用，改变水组分的局部溶剂化环境、液相网络约束或气-液界面逸出行为，使水组分在蒸发过程中表现出更高的有效汽化焓，从而改善水基工质的相变吸热能力。

16、2、本发明所述液体添加剂不引入固体颗粒。所得改性水基发汗冷却工质为均一溶液，适用于多孔介质发汗冷却结构，有利于其在多孔通道中的稳定输运。

17、3、本发明的改性水基发汗冷却工质能够兼顾相变吸热能力和多孔介质流动沸腾换热性能。在本发明的具体实施方式中，采用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐作为液体添加剂时，所得10%改性水基发汗冷却工质相对于纯水表现出更高的水组分有效汽化焓、体系总蒸发吸热量以及稳定流动沸腾区两相换热系数。

18、4、本发明的改性水基发汗冷却工质具有较好的服役稳定性和工程适用性。在本发明的具体实施方式中，采用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐作为液体添加剂时，所得工质相对于纯水表现出较低的水分蒸发损失，并具有抑制微生物生长的作用；同时，在浸泡测试条件下，未观察到其对氧化铝基陶瓷、氧化锆基陶瓷和碳化硅基复合陶瓷等代表性多孔材料引入明显额外表面损伤。

1.一种提升液体水潜热的水溶液，其特征在于，所述液体添加剂是由有机阳离子和阴离子组成的亲水性离子液体。

2.根据权利要求1所述的一种提升液体水潜热的水溶液，其特征在于，有机阳离子是咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、有机铵离子、膦鎓离子、胆碱离子中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种提升液体水潜热的水溶液，其特征在于，有机阴离子是羧酸根、羟基羧酸根、磺酸根、硫酸酯根、磷酸酯根、卤离子中的一种或多种。

4.一种权利要求1至3中任一项所述液体添加剂的应用，其特征在于，所述液体添加剂用于制备发汗冷却水基工质中，液体添加剂加入水中后形成改性水基发汗冷却工质。

5.根据权利要求4所述的一种提升液体水潜热的水溶液的应用，其特征在于，液体添加剂在改性水基发汗冷却工质中的质量分数为5%～20%。

6.根据权利要求4所述的一种提升液体水潜热的水溶液的应用，其特征在于，改性水基发汗冷却工质用于多孔介质发汗冷却。

7.根据权利要求6所述的一种提升液体水潜热的水溶液的应用，其特征在于，多孔介质是陶瓷多孔介质、金属多孔介质、硅基多孔介质或复合材料多孔介质中的一种。

8.根据权利要求7所述的一种提升液体水潜热的水溶液的应用，其特征在于，陶瓷多孔介质是氧化铝基陶瓷、氧化锆基陶瓷或碳化硅基复合陶瓷中的一种。

9.一种利用权利要求1至3中任一项所述水溶液制备水基发汗冷却工质的方法，其特征在于，具体步骤包括：

10.根据权利要求9所述的一种提升液体水潜热的水溶液的制备方法，其特征在于，步骤1中液体添加剂的质量份数为5%~20%。