论文部分内容阅读
相变蓄冷技术已经广泛地应用于冰箱、空调系统、建筑节能和冷藏运输等领域,应用前景广阔。目前,自然界中广泛存在的水常作为相变蓄冷系统中蓄冷材料,但是却存在过冷度大和导热系数小两个亟待解决的问题。由于能有效地降低过冷度和快速凝结的特性,纳米流体成为一种备受科研人员关注的新型相变蓄冷材料。过冷现象普遍存在于相变材料中。在容器中进行纳米流体过冷容易受到容器壁面的干扰。因此,本文利用声悬浮技术实现无容器处理研究了氧化石墨烯纳米流体过冷特性,同时还测量了过冷状态下氧化石墨烯纳米流体的表面张力,研究内容和结论如下:(1)以去离子水为基液,采用超声振荡的方式制备了0.03wt%和0.05wt%两种不同浓度的氧化石墨烯纳米流体。分别使用Nano ZS90纳米粒度及Zeta电位分析仪测量了不同浓度的氧化石墨烯纳米流体的粒径和Zeta电位,所有浓度的纳米颗粒平均粒径都小于100 nm,Zeta电位大于30 mV。根据Zeta电位得出制备的纳米流体具有很好的稳定性。将制备的纳米流体静置30天,未发现沉淀,说明制备的纳米流体是稳定的。(2)实验测量了冷却温度为-21℃时,去离子水和0.03wt%纳米流体的过冷度,并绘制了步冷曲线。通过比较氧化石墨烯纳米流体和去离子水的步冷曲线,在液滴降温阶段,纳米流体比去离子水降温更快,可以看出纳米流体的传热性能比去离子水更好。比较两种流体的成核温度分布,氧化石墨烯纳米流体成核温度的中位数为-8.9℃高于去离子水的-10.4℃,且氧化石墨烯纳米流体成核温度更加集中,更有利于蓄冷系统的蒸发温度的选取及运行调节。(3)根据异质成核理论,分析了纳米颗粒表面成核机理。根据基于经典成核理论的统计成核理论对过冷度进行了研究,且计算了异质成核因子,再依据异质成核因子分析了纳米流体成核过程,分析了纳米颗粒表面异质成核原理。计算表明所制备的氧化石墨烯纳米颗粒与冰接触角为18.18°,且氧化石墨烯纳米流体异质成核因子远小于1。氧化石墨烯纳米流体的异质成核因子0.001838小于去离子水的0.00339。通过异质成核因子计算晶核所需最小直径,分析表明氧化石墨烯纳米流体液滴中的异质成核发生在氧化石墨烯纳米片的上下表面。(4)应用微扰理论对声悬浮的控制方程进行近似处理,对超声驻波悬浮力进行了简要推导及确定驻波声场中稳定悬浮位置。分析了声悬浮装置腔室内介质温度前后温差较大时对液滴悬浮稳定性的影响,可以先对腔室内介质降温,然后调整发射端与反射端间距来使得声辐射力达到局部最大值,从而实现液滴稳定悬浮。(5)在稳定悬浮后,本文使用液滴振荡法测得氧化石墨烯纳米流体在-7℃、-4℃、-2℃、1℃、7℃、12℃和18℃时的表面张力分别为79.47 mN/m、78.60 mN/m、78.31mN/m、78.02 mN/m、77.45 mN/m、76.65 mN/m和76.02 mN/m。结果显示随着温度的降低,氧化石墨烯纳米流体的表面张力逐渐增大。过冷态的氧化石墨烯纳米流体与其在常温区域的变化趋势是一致的且均大于去离子水的表面张力本文研究了氧化石墨烯纳米流体过冷特性,氧化石墨烯纳米流体有效地解决了相变蓄冷材料过冷度大的问题,可以作为一种高效的蓄冷材料。同时,氧化石墨烯纳米流体在过冷时的表面张力测量完善了氧化石墨烯纳米流体的热物性数据,对氧化石墨烯纳米流体在蓄冷系统中实际运用具有重要意义。