纳米制冷剂的稳定机制及其颗粒沉积层的润湿特性

发布时间：2020-03-21 15:42

【摘要】：纳米制冷剂具有明显优于传统制冷工质的传热性能,因而被视为未来提高制冷系统能效的技术方向之一,并成为近年来的研究热点。应用纳米制冷剂提高制冷系统的能效,目前仍未解决且迫切需要关心的是纳米制冷剂的稳定性问题以及纳米制冷剂所形成的颗粒沉积层的润湿特性;而研究纳米制冷剂稳定性的关键是要了解纳米颗粒的几种行为机制,包括团聚行为、相间迁移行为以及再悬浮行为。鉴于其有别于已有研究对象与工作状态的复杂性,本文针对上述问题开展了以下实验与理论研究:1)对含油纳米制冷剂在交替相变下的稳定性进行了定量评估。研究表明,相比于无相变静置工况,含油纳米制冷剂在交替相变工况下的稳定性更差。此外,降低沸腾端加热温度或冷凝端冷却温度、提高油浓度或降低颗粒浓度可改善含油纳米制冷剂的稳定性。2)为研究纳米颗粒的团聚行为,采用动态光散射技术对纳米制冷剂中的颗粒团聚体的尺寸进行了动态测量,并建立了用于预测颗粒尺寸的颗粒团聚模型。在研究中发现,基于传统DLVO理论的团聚模型虽能较好的预测无油纳米制冷剂中颗粒尺寸的变化,但难以反映润滑油的影响。本文提出润滑油和制冷剂对颗粒表面亲和性的不同导致了这两种不同的液体分子在颗粒表面上的竞争吸附,使得颗粒表面吸附层的组分与液体中的组分不同,继而影响颗粒间的相互作用力。因此,新的团聚模型包含了吸附层子模型,用于计算吸附层的组分和厚度,并与DLVO理论结合计算颗粒间相互作用力。结果显示,新的团聚模型较好的反映了润滑油对颗粒尺寸变化的影响,其预测结果与92%实验数据的误差在±10%以内。3)为研究纳米颗粒的相间迁移行为,搭建了纳米制冷剂的沸腾迁移实验装置,测量了沸腾后纳米颗粒经由各个途径发生相间迁移的比例。研究发现,在含油纳米制冷剂沸腾过程中,纳米颗粒不仅可以迁移至气相(即“气相迁移”),还可以迁移至加热表面附近的富油层,最终在制冷剂全部蒸干后迁移至润滑油,即“油相迁移”。在常见应用工况下,纳米颗粒的油相迁移率均大于气相迁移率,且两者之间的差值随着油浓度的增大而不断扩大,说明油相迁移是含油纳米制冷剂沸腾时纳米颗粒相间迁移的主要途径。经分析,本文认为富油层中纳米颗粒的团聚沉降以及在微液层中的沉积是导致油相迁移率低的主要原因。基于此,本文使用表面改性技术在TiO_2纳米颗粒表面嫁接碳链,通过抑制其在制冷剂/矿物油沸腾时富油层中的团聚,最终大大提升了其油相迁移率。4)为研究沉积颗粒的再悬浮行为,设计并搭建了可视化池沸腾实验台,首次观测到了沸腾过程中沉积颗粒的再悬浮过程,并定量分析了沸腾持续时间、热流密度和颗粒沉积密度对颗粒再悬浮率的影响。结果表明,热流密度是影响颗粒再悬浮率的因素,热流密度越大,再悬浮率越大。颗粒沉积密度对再悬浮率的影响与热流密度有关:在小热流密度下,再悬浮率随沉积密度的增大而减小;在中等热流密度下,再悬浮率随沉积密度的增大而先增大后减小;在大热流密度下,再悬浮率随沉积密度的增大而增大。经分析,颗粒沉积层的疏松多孔结构对沉积颗粒的再悬浮起了关键性作用,气泡生成时沉积层孔隙中液体对颗粒的冲击以及气泡脱离时所引起的液体扰动是沉积颗粒再悬浮发生的主要机制。基于此,本文建立了数学模型,该模型较好的描述了热流密度和颗粒沉积密度对再悬浮率的影响。5)采用可视化实验和图像处理技术纯制冷剂与含油制冷剂在普通粗糙表面、纳米颗粒沉积表面、多级微纳结构表面以及氟化多级微纳结构表面的润湿行为进行了定量研究,分析了油浓度、表面粗糙度、粗糙结构特征、表面化学性质等因素对接触线移动速度、接触角、毛细上升高度等润湿特征参数的影响,并分析了含油制冷剂在不同表面上的润湿机制。首次发现了含油制冷剂在润湿过程中由于Marangoni效应造成的“液膜爬壁”现象,这导致含油制冷剂的表面润湿性显著高于纯制冷剂。此外,纳米颗粒沉积表面、多级微纳结构表面与普通粗糙结构表面的润湿行为类似,其对于含油制冷剂的润湿性正相关于表面粗糙度。但氟化多级微纳结构表面并未出现“液膜爬壁”现象,这主要是由其亲制冷剂、疏油的特性造成的。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB64

【参考文献】