納米流體的制備、物性及氨氣吸收特性研究.pdf

1、納米流體技術在工程熱物理領域中已得到了一定深入的研究，其快速發(fā)展給傳統(tǒng)吸收式制冷系統(tǒng)的研究帶來了蓬勃生機。以氨這種環(huán)境友好的自然工質作為制冷劑的氨水吸收式制冷系統(tǒng)存在著系統(tǒng)熱力系數(shù)低、設備龐大等缺點。本文提出向氨水溶液中添加納米粒子，并通過一定的分散手段形成穩(wěn)定的納米流體，利用納米流體所具有的強化傳熱傳質特性來強化氨水吸收式制冷系統(tǒng)中氨氣被氨水溶液吸收的過程，從而達到提高氨水吸收制冷循環(huán)性能系數(shù)以及使氨水吸收式制冷設備小型化的目的。由于

2、現(xiàn)有文獻關于納米流體在氨水吸收制冷系統(tǒng)中的研究較少而且不完善，本文對納米流體的制備、物性和氨氣吸收特性進行了系統(tǒng)的實驗和理論研究，為納米流體在氨水吸收式制冷系統(tǒng)以及其他熱質交換領域的進一步應用提供了研究思路和技術指導。本文所做工作主要包含以下幾個方面:
　　1)納米流體的制備與穩(wěn)定性研究。為了制備適用于氨水吸收式制冷系統(tǒng)的納米流體，本文對20種納米粒子和10種表面活性劑在氨水中進行了正交分散性實驗，得到了對納米粒子分散有效的表面活

3、性劑種類。實驗中設定了比吸光度這種新的分散穩(wěn)定性評價指標，并與傳統(tǒng)指標進行了實驗對比。該方法操作簡單、適用范圍廣泛，并且可以用來評價不同類別納米流體的分散穩(wěn)定性。實驗結果表明:納米粒子本身的分散狀況很大程度上決定了其在氨水中的分散能力以及對表面活性劑的“感知”能力，而沸騰對是否含表面活性劑的納米流體分散性的影響表現(xiàn)出了差異性。按所選用的納米粒子在氨水中均勻分散的穩(wěn)定性可分為了三個層次，對其中的ZnFe2O4、 Al2O3、α-Fe2O3

4、納米流體的分散性通過超聲、光照、改變pH值等手段進行了進一步研究，獲得了它們的最佳分散工藝。在此基礎上，對單分子層與雙電層吸附模型下表面活性劑與納米粒子的作用機理進行了分析，建立了不同分散模型下表面活性劑用量的理論計算模型，并利用實驗結果對其進行了驗證。提出了一種基于比吸光度的納米流體優(yōu)化制備方法，通過實驗對其有效性進行了驗證，并利用重力或離心力結合篩板原理對該方法進行了拓展。同時提供了一種納米流體動態(tài)穩(wěn)定性分析方法和納米流體應用與分散

5、一體化裝置的技術方案，為納米流體的動態(tài)應用，保證納米流體工程應用中的持久穩(wěn)定性提供了借鑒。
　　2)納米流體的物性研究。對納米流體的物性進行研究，不僅是為了獲得性能優(yōu)異的納米流體，同時也為納米流體在強化氨水吸收過程中理論與實驗分析研究提供重要物性數(shù)據(jù)。本文通過實驗測量研究了表面活性劑、氨水和粒子對納米流體導熱系數(shù)的作用存在的耦合關系，發(fā)現(xiàn)這種耦合關系主要表現(xiàn)在其對穩(wěn)定性的作用上，并研究了存放時間、種類、含量、粒徑以及溫度對氨水納米

6、流體導熱系數(shù)的影響。在分析了不同分散模型下粒子表面的表面活性劑吸附層不同結構的基礎上，基于Leong等人模型，首次建立了不同分散模型下包含表面活性劑影響的低濃度球狀和管狀納米流體導熱系數(shù)計算模型，并通過文獻實驗對比驗證了模型具備較好的計算精度。然后，通過對納米粒子和表面活性劑的吸附作用，成功解釋了部分學者認為不能用經典粘度理論所解釋的在特定情況下添加納米顆粒反而使得納米流體粘度減小的現(xiàn)象，并建立了基于不同分散模型下包含納米粒子與表面活性

7、劑影響的氨水納米流體粘度的計算模型，與實驗值進行了對比驗證。最后，本文根據(jù)吸附理論預測并驗證了納米顆粒在一定活性劑范圍內會使表面張力增加的現(xiàn)象，對納米粒子與表面活性劑對表面張力的協(xié)同作用進行了分析。
　　3)納米流體氨氣吸收特性研究。通過綜合考慮氨水納米流體的穩(wěn)定性和物性因素，選擇了分散穩(wěn)定性為第一層次和第二層次中的部分納米流體進行了氨氣吸收對比實驗。結果表明:a-TiO2、γ-Al2O3+SDBS（十二烷基苯磺酸鈉）、ZnFe2

8、O4+SDBS、α-Fe2O3+SDBS這四種納米流體表現(xiàn)出了降膜強化吸收效果，而TiN、SiC納米流體對氨水降膜吸收速率的影響較小。對Al2O3、ZnFe2O4、Fe2O3三種納米流體的降膜吸收特性進行了進一步研究，發(fā)現(xiàn)納米粒子與表面活性劑的含量、納米流體的穩(wěn)定性和膜狀流動的減阻特性、以及吸收液初始濃度是影響降膜吸收速率的主要因素。只含表面活性劑SDBS或含未穩(wěn)定分散粒子的溶液會在一定程度上抑制氨氣降膜吸收速率，而納米流體降膜吸收存在

9、最佳粒子濃度。隨著氨水基液濃度的上升，納米流體的強化吸收作用加強，當初始降膜濃度為15％時，ZnFe2O4和Fe2O3納米流體對吸收速率的強化分別達到約50％和70％。對這三種納米流體的鼓泡吸收對比實驗結果發(fā)現(xiàn)，由于SDBS的起泡性，使得含較高濃度SDBS的納米流體鼓泡吸收速率下降，只有含較低濃度SDBS的Al2O3納米流體具備鼓泡吸收強化效果。從納米粒子微運動、場協(xié)同理論、分散相粒子理論、Marangoni效應以及納米流體物性影響對納

10、米流體強化降膜吸收機理進行了分析。
　　4)納米流體氨水降膜吸收的數(shù)值模型研究。為了分析納米流體的物性和流動特性對納米流體降膜吸收氨氣的性能影響，本文通過考慮納米流體吸收氨氣引起的液膜厚度變化和納米流體本身物性的改變建立了納米流體氨水降膜吸收的物理與數(shù)學模型，理論上分析了各種工況參數(shù)和物性參數(shù)對納米流體氨氣降膜吸收的影響，并定義了強度參數(shù)對它們之間的耦合影響力進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著吸收壓力的增大或降膜溶液初始濃度的減小，吸收推動力增大

11、，傳質系數(shù)的影響強度下降，而導熱系數(shù)與流動阻力系數(shù)的影響強度加強，粘度的影響強度基本不變。最后，將模型計算值與考慮非降膜段吸收進行修正后的Al2O3、ZnFe2O4和Fe2O3納米流體的氨氣降膜吸收實驗值進行了比較，發(fā)現(xiàn)模型計算值與實驗修正值有較好的吻合程度，87.5％的模型計算數(shù)據(jù)誤差均在20％以內，最大誤差為21.5％。通過模擬值與實驗值的對比，進一步證明了納米流體的物性和膜狀流動的減阻特性是影響納米流體降膜吸收過程傳熱傳質性能的主