外场作用下的纳米流体凝固的研究

发布时间：2018-09-07 17:31

【摘要】：纳米流体作为一种新型相变储能材料,具有凝固时间短、储能量大、过冷度低等优点,但纳米流体在相变储能过程中容易发生颗粒团聚、沉降最终导致失效的问题。外场作用于凝固过程能够提高纳米流体在固液相变过程中的分散性,从而延长其使用寿命。本文通过实验分别研究了水基、石蜡基纳米流体在磁场、电磁场作用下的凝固过程,并对实验结果进行了分析,在此基础上对外场改善纳米流体凝固过程中分散稳定性的机理进行了讨论,具体工作如下：1.将磁场分别作用于Fe304-石蜡、Fe3O4-H2O纳米流体的凝固过程,以磁感应强度作为变量,通过测量凝固后纳米颗粒的偏聚区域面积和熔化后的吸光度,研究了不同磁感应强度对纳米流体凝固后分散稳定性的影响,采用经典电磁理论,结合纳米流体的实际特点,推到出磁场改善纳米流体凝固后分散性的磁感应强度范围,对实验的结果进行了预测。实验结果表明：一定范围内的磁场确实能够提高Fe304纳米流体凝固后的分散性；在一定的凝固速率下存在分散稳定性最好对应下的磁感应强度；在固相中分散性较好的纳米流体其再次熔化后的分散稳定性也较好,控制好纳米流体凝固过程的分散性,就能够提高其固液相变过程中的分散稳定性,从而提高其用作储能材料的使用寿命。实验结果与理论预测一致,定性的证明了理论的正确性。2.对实验设备进行了优化,将金属凝固学定向凝固装置的原理和晶体生长理论与纳米流体的凝固过程相结合,设计了纳米流体定向凝固恒温实验台,该装置结构简单,操作方便,制冷效果好,温控精度高,温度梯度可调,能够为研究纳米流体的凝固过程提供高精度的实验条件,并通过实验确定了保持纳米流体凝固过程中固液界面平坦稳定的温度梯度值。将该装置同电磁场相结合,辅以摄像、计算机等装置监控纳米流体的凝固过程,搭建了电磁场作用下纳米流体定向凝固实验系统。3.将电磁场分别作用于石墨-石蜡、石墨-水纳米流体的定向凝固过程,以磁感应强度为变量,保持一定的电场强度,通过环境扫描电镜(SEM)观察石蜡凝固体中石墨颗粒的分布情况,说明磁感应强度对凝固过程的影响；以电流密度作为变量,保持一定的磁感应强度,通过测试吸光度、粒径分布电流密度对石墨-水纳米流体凝固熔化循环过程中失效程度的影响。结果表明：电磁场能够提高纳米流体定向凝固过程中的分散性,保持一定电场强度(磁感应强度)不变的情况下,一定范围内的磁感应强度(电流密度)对改善纳米流体固液相变循环过程中的失效问题有显著作用,采用电磁挤压力的理论结合纳米流体实际特点对实验结果进行了分析探讨。4.对稳恒电磁场作用下的实验中发现的纳米流体分界面现象进行了分析,提出采用脉冲电磁场优化实验,以脉冲电场的频率为变量,保持一定的磁感应强度值,研究了频率对纳米流体单次凝固熔化循环过程分散稳定性的影响,结果表明：采用脉冲电磁场的作用能够进一步提高纳米流体凝固过程中的分散性,进一步延长其用作储能材料的使用寿命。
[Abstract]:Nanofluids, as a new type of phase change energy storage materials, have the advantages of short solidification time, large energy storage and low undercooling. However, nanofluids are prone to agglomeration of particles during phase change energy storage, and precipitation eventually leads to failure. In this paper, the solidification process of water-based and paraffin-based nanofluids under magnetic and electromagnetic fields is studied experimentally, and the experimental results are analyzed. On this basis, the mechanism of improving the dispersion stability of nanofluids during solidification by external field is discussed. The solidification process of Fe304-paraffin and Fe3O4-H2O nanofluids was studied by measuring the area of the segregation region of the solidified nanoparticles and the absorbance of the melted nanofluids. The influence of different magnetic induction intensity on the dispersion stability of the solidified nanofluids was studied by using the classical electromagnetic theory and combining with the reality of the nanofluids. The experimental results show that a certain range of magnetic field can indeed improve the dispersion of Fe304 nanofluids after solidification, and there is a magnetic induction strength corresponding to the best dispersion stability at a certain solidification rate. The dispersion stability of nanofluids with good dispersion in solid phase after remelting is also good. If the dispersion of nanofluids during solidification process is well controlled, the dispersion stability of nanofluids during solid-liquid phase transition can be improved and the service life of nanofluids used as energy storage materials can be improved. Correctness of the theory. 2. Optimizing the experimental equipment, combining the principle of metal solidification directional solidification device and crystal growth theory with the solidification process of nanofluids, a nanofluids directional solidification constant temperature experimental platform is designed. The device has simple structure, convenient operation, good cooling effect, high temperature control precision, adjustable temperature gradient and can be used. In order to study the solidification process of nanofluids, high-precision experimental conditions are provided, and the temperature gradient value is determined by experiments to keep the solid-liquid interface flat and stable during the solidification process of nanofluids. Fluid directional solidification experiment system.3.Electromagnetic field was applied to the directional solidification process of graphite-paraffin and graphite-water nanofluids respectively. The magnetic induction intensity was taken as a variable to maintain a certain electric field intensity. The distribution of graphite particles in paraffin solidified solids was observed by environmental scanning electron microscope (SEM). The results show that electromagnetic field can improve the dispersion of graphite-water nanofluids during directional solidification and maintain a certain electric field intensity (magnetic induction). The magnetic induction strength (current density) in a certain range can improve the failure of nanofluids during solid-liquid phase change cycles under the condition of constant strength. The experimental results are analyzed and discussed by combining the theory of electromagnetic extrusion force with the actual characteristics of nanofluids. The interfacial phenomena of nanofluids were analyzed. Pulsed electromagnetic field optimization experiment was carried out to study the effect of frequency on the dispersion stability of nanofluids during single solidification and melting cycle. The results showed that the effect of pulse electromagnetic field could be further improved. The dispersion of nanofluids during solidification is improved, and the service life of the nanofluids as energy storage materials is further extended.
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2228939