納米顆粒強(qiáng)化氨水吸收機(jī)理研究.pdf

1、基于氯氟烴類制冷劑會(huì)對(duì)臭氧層產(chǎn)生破壞作用并引發(fā)溫室效應(yīng)，人們?cè)趯ふ衣确鸁N類制冷劑替代物過(guò)程中，對(duì)氨這種具有良好環(huán)境可接受性的自然工質(zhì)又重新重視起來(lái)。但氨吸收式制冷系統(tǒng)卻因熱力系數(shù)比較低、設(shè)備較龐大笨重的缺點(diǎn)而不利于小型化。因而強(qiáng)化氨吸收過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。納米流體技術(shù)具有強(qiáng)化吸收的特性，從上世紀(jì)九十年代起，研究人員就開始探索將納米材料技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的傳熱冷卻工質(zhì)相比具有高導(dǎo)熱系數(shù)、均勻、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。鑒于

2、傳熱與傳質(zhì)過(guò)程的相似性，研究人員也開始關(guān)注納米流體對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化作用。
　　本研究提出通過(guò)配制合適的氨水納米流體，利用納米流體對(duì)傳熱、傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化特性來(lái)提高氨水吸收性能。利用垂直管降膜吸收實(shí)驗(yàn)來(lái)研究納米顆粒強(qiáng)化氨水吸收機(jī)理，為開發(fā)新型高效氨水吸收式制冷設(shè)備作技術(shù)儲(chǔ)備。研究的內(nèi)容和相應(yīng)結(jié)論歸結(jié)如下:
　　(1)納米流體的制備與穩(wěn)定性研究。在定性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的海選試驗(yàn)，經(jīng)沉降法分析對(duì)比，配制出氨水溶液中添加炭黑納米

3、顆粒和表面活性劑辛基苯酚聚氧乙烯醚(OP-10)的納米流體。炭黑納米顆粒在溶液中的分散是由于表面活性劑分子在固體表面吸附（活性劑的親油基朝向顆粒表面，活性劑的親水基朝向溶液），降低了固液界面能，同時(shí)固體表面變?yōu)榫哂杏H水特性。表面活性劑親水基的水化可阻礙粒子的相互碰撞，使之難以碰撞團(tuán)聚。繼而依據(jù)Langmuir單分子層吸附式推算出:質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.1％的納米炭黑的氨水納米流體，完全覆蓋納米顆粒所需的OP-10乳化液的濃度約是4.3％，與實(shí)

4、驗(yàn)觀察結(jié)果相符。針對(duì)顆粒的自由沉降引用Stokes定律分析了懸浮液的穩(wěn)定性隨活性劑濃度增加而增強(qiáng)以及長(zhǎng)時(shí)間靜放后出現(xiàn)色差的現(xiàn)象。
　　(2)納米流體的物性研究。測(cè)試了在25％的氨水溶液中加入20nm的炭黑顆粒和表面活性劑OP-10配制的納米流體的粘度、導(dǎo)熱系數(shù)。選取泄流方法來(lái)測(cè)量氨水納米溶液粘度。研究表明:在一定濃度范圍內(nèi)，單獨(dú)加入表面活性劑時(shí)，氨水的粘度先急劇降低，后隨活性劑濃度的增大而升高。表面活性劑濃度一定時(shí)，炭黑-氨水納米

5、流體的粘度隨納米顆粒質(zhì)量濃度的增加而增大;實(shí)測(cè)的炭黑-氨水納米流體粘度遠(yuǎn)大于Einstein式的計(jì)算值。運(yùn)用單分子層吸附理論對(duì)Einstein式進(jìn)行了簡(jiǎn)化修正。計(jì)算結(jié)果表明，修正計(jì)算公式的計(jì)算值更貼近實(shí)驗(yàn)值，且最大相對(duì)誤差小于5％。自行設(shè)計(jì)了的雙瞬態(tài)熱線導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，并測(cè)量了炭黑-氨水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。研究表明:在低濃度范圍內(nèi)，納米流體導(dǎo)熱系數(shù)隨納米顆粒含量的增加呈線性增大;納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增加率遠(yuǎn)比現(xiàn)有理論（如M-G模型）預(yù)測(cè)值

6、大。并就此結(jié)果，運(yùn)用單分子層吸附理論對(duì)M-G模型進(jìn)行了修正。計(jì)算結(jié)果表明，修正公式的計(jì)算值更貼近實(shí)驗(yàn)值。依據(jù)前人有關(guān)強(qiáng)化傳質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究及理論基礎(chǔ)，提出氨水納米流體中納米粒了的布朗運(yùn)動(dòng)和由布朗運(yùn)動(dòng)引起的連續(xù)相中液體的對(duì)流，這兩個(gè)因素導(dǎo)致了傳質(zhì)的強(qiáng)化;結(jié)合斯托克斯—愛因斯坦方程，推導(dǎo)出了氨水納米流體擴(kuò)散的附加擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算式。
　　(3)炭黑-氨水納米流體氨氣吸收特性研究。建立了用于氨水納米流體配制和降膜吸收的實(shí)驗(yàn)裝置。研究了在有、無(wú)納

7、米顆粒的情況下，氨氣吸收對(duì)比及其影響因素（包括工況、粒子濃度、吸收液的初始濃度對(duì)氨氣降膜吸收的影響）。主要結(jié)論如下:納米顆粒對(duì)氨水溶液的吸收性能有重大影響。在一定量范圍內(nèi)，隨著納米顆粒加入量的增大，有效吸收率也隨之增加，并會(huì)出現(xiàn)峰值，峰值后隨著納米顆粒加入量的增加而降低。此表明可能有一個(gè)最佳的納米顆粒的質(zhì)量百分比。最大有效吸收率為1.3。通過(guò)分析納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)吸收過(guò)程和納米流體物性影響、及傳輸效應(yīng)對(duì)其強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)一步說(shuō)明了

8、納米流體的粒子布朗運(yùn)動(dòng)和納米流體的物性變化是納米流體強(qiáng)化氨水降膜吸收的主要因素。
　　(4)炭黑-氨水納米流體降膜吸收的數(shù)值模擬研究。在光滑層流降膜吸收模型的基礎(chǔ)上應(yīng)用雙膜理論，考慮了氨氣吸收后引起的液膜厚度變化及納米流體物性的改變，建立了納米流體氨水降膜吸收的物理與數(shù)學(xué)模型。據(jù)此，分析了各種工況參數(shù)（壓力、溫度、初始濃度等）和物性參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、擴(kuò)散系數(shù)等）對(duì)納米流體氨氣降膜吸收的影響，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比

9、，得出以下結(jié)論:隨著冷卻水和液膜入口溫度的降低及吸收壓力的增加，吸收終了氨水濃度上升。隨著初始氨水濃度的增加吸收終了濃度差降低。當(dāng)納米碳黑質(zhì)量濃度增大時(shí)，粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加。粘度的增加對(duì)納米流體的吸收終了的氨水濃度產(chǎn)生了較大的抑制作用，導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的增加強(qiáng)化了納米流體的吸收。從這三種物性變化對(duì)吸收效果所起的影響程度看，粘度＞擴(kuò)散系數(shù)＞導(dǎo)熱系數(shù)。最后將模擬值與實(shí)驗(yàn)值的進(jìn)行了對(duì)比，模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，最大絕對(duì)誤差