氧化石墨烯纳米流体液滴在声悬浮条件下的成核及液固相变特性研究

发布时间：2018-03-17 18:45

本文选题：声悬浮　切入点：氧化石墨烯　出处：《重庆大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：蓄冷技术由于能够实现电力负荷的“移峰填谷”而成为电力需求侧管理的一项有效措施。但大多数相变材料的过冷度较高,导致制冷机组的能效比较低。纳米流体作为新型的蓄冷材料,在相变过程中能够消除或减弱过冷现象受到了人们的广泛关注。然而,纳米流体的过冷度或相变实验通常在试管、烧杯等容器中进行,容器壁面及其表面附着的杂质与纳米粒子一样也会促进成核,从而无法判断这种成核到底是谁的贡献,无法明确纳米粒子的真正成核效果。为了排除容器壁面及杂质等因素的影响,本文采用声悬浮技术研究了氧化石墨烯纳米流体的液固相变特性。主要研究内容及结果如下:①采用超声波搅拌的方法制备了氧化石墨烯纳米流体。静置观察、粒径及Zeta电位测量和透射电子显微镜实验结果均表明,氧化石墨烯纳米流体的分散稳定性非常好。②采用声悬浮技术研究了去离子水液滴的液固相变过程,结果表明,随着冷却速率的增加,去离子水液滴的过冷度逐渐增大;同时,分析了声场对去离子水液固相变特性的影响,认为由声场引起的液滴旋转、形态振荡及空化效应均有抑制过冷度的作用。③采用声悬浮技术研究了浓度为50mg/100ml的氧化石墨烯纳米流体液滴的液固相变过程,结果表明,随着冷却温度的降低,纳米流体液滴的液相降温时间逐渐缩短,过冷度逐渐增大,液滴完全冻结的时间也明显缩短。同时,对比分析了在声悬浮条件下氧化石墨烯纳米流体液滴与去离子水液滴液固相变曲线,结果表明,氧化石墨烯纳米粒子能够减小过冷度。④理论计算了去离子水的均质成核率和氧化石墨烯纳米流体的异质成核率,结果发现,在无任何外界影响的情况下,去离子水想要结冰十分困难,成核率很小;纳米流体的异质成核率远远大于去离子水的均质成核率;纳米流体的异质成核率随浓度及过冷度的增加而增大。⑤通过分析发现声悬浮条件下氧化石墨烯纳米流体液滴过冷度的抑制机理如下:首先,氧化石墨烯纳米薄片具有促进纳米流体异质成核的作用。通过异质成核理论计算了氧化石墨烯纳米薄片有效成核的条件,并通过实验验证了纳米薄片能够有效促进异质成核的发生;其次,声场引起的纳米流体液滴的旋转及其表面的振动能够起到抑制过冷度的作用。由于纳米流体液滴旋转和振动时将引入促使纳米流体液滴克服成核势垒的外界能量,从而可使纳米流体液滴能够提前进入成核阶段;再者,空化效应具有促进纳米流体液滴成核结晶的作用。在声场的作用下,纳米流体内部的微小气泡将会发生空化效应,空化气泡破裂时将会引起气泡壁处的纳米流体承受瞬时高压,该瞬时高压可使气泡壁处的纳米流体具有局部过冷度。通过Clausius-Clapeyron方程计算得出空化效应发生时产生的局部过冷度较大且极易促进成核结晶过程的发生。同时,认为发生空化效应时遗留下的薄层冰可以作为进一步异质成核的基底,能够起到促进纳米流体液滴成核结晶的作用;此外,声辐射压对纳米流体液滴过冷度也有很大影响,声辐射压越大,发生空化效应的气泡越多,促进纳米流体发生成核的几率就越大,抑制过冷度的效果越佳。本文的研究成果对深入了解氧化石墨烯纳米流体作为新型相变蓄冷材料具有重要的学术价值,同时,也为研发高效节能的相变蓄冷材料具有重要的指导意义。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O613.71

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