氨水纳米溶液降膜发生过程热质传递特性研究

发布时间：2017-09-24 02:47

  本文关键词：氨水纳米溶液降膜发生过程热质传递特性研究

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【摘要】：纳米流体作为21世纪新一代传热冷却工质,在强化对流传热和沸腾传热方面亦蕴藏着巨大潜能。近年来,以天然制冷剂氨为工质的氨水吸收式制冷在替代对环境和臭氧层有污染或破坏作用的部分氟利昂制冷系统过程中,氨水纳米流体的相关研究显示出其勃勃生机。本文将纳米颗粒应用于氨水发生过程,通过实验研究和理论模拟,以期阐明纳米颗粒影响氨水溶液降膜发生过程热质传递的机理,揭示氨水纳米溶液在降膜发生过程中汽-液-固组分间的热质传递变化规律,进而为提高氨水吸收式制冷循环性能系数、促进发生设备小型化以及开发新型高效氨水吸收式制冷设备提供新的思路。本文所做工作主要包含以下几个方面：1)高温高浓度氨水纳米溶液的制备与稳定特性研究。通过对20种纳米粒子和10种表面活性剂在氨水中分散性实验结果分析,得到了适宜于高温工况下进行氨水纳米溶液配对的纳米种类及与纳米配对的表面活性剂。定义高温工况下相对比吸光度分散稳定性评价指标,并用沉降观测法和吸光度测试方法对实验结果进行了对比分析,发现比吸光度方法可以用来评价不同类别纳米流体的分散稳定性。根据高温与常温下氨水纳米流体稳定性实验对比结果,发现沸腾过后纳米流体的分散稳定性均出现不同程度的下降。研究发现分散剂类型、结构、纳米颗粒的理化特性以及氨水溶液的pH值等诸多因素都对氨水纳米溶液的稳定性起到重要作用。通过表面活性剂与纳米颗粒作用机理及稳定性实验结果分析,确定了分散剂与纳米颗粒在氨水纳米溶液配备中的选用准则及其用量。最后通过阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的稳定性。试验表明,阴阳离子表面活性剂在适当复配比例下,能够有效地改善氨水纳米溶液的分散稳定性。2)氨水纳米流体的物性研究。查阅和对比大量有关氨水物性文献,得出了可便于工程实际应用的氨水物性计算方程以及(p,T,ξ)状态方程。针对6种纳米以及与之良好配比的5种表面活性剂组成的稳定分散的氨水纳米溶液进行了导热系数、粘度和表面张力测量,结合纳米流体物性研究成果得出能用于氨水纳米降膜发生过程中的导热系数、粘度和扩散系数等物性计算方程,为后续进行氨水发生实验测试和理论模拟打下基础。研究了阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的表面张力特性,试验表明阴阳离子表面活性剂在适当复配比例下,能够有效地降低溶液表面张力,为探究低表面张力纳米流体提供了有益参考。3)氨水纳米流体降膜发生实验研究。设计搭建氨水纳米溶液降膜发生过程试验台,选取分散稳定性良好的炭黑CB、铁酸锌ZnFe2O4、碳化硅SiC、氮化钛TiN和三氧化二铁Fe203作为测试氨水纳米溶液,进行了一系列有、无纳米工况的氨水发生对比实验。研究结果表明：Fe203和ZnFe2O4氨水纳米溶液的发生速率和有效发生比相对较高,发生性能效果最好,有效发生比约为1.70。但Fe203会与碳钢材质发生磁性吸附,因此不推荐在氨水系统使用。CB、TiN、SiC纳米溶液的强化发生效果依次递减。添加合适份数的纳米与分散剂配制的氨水纳米流体可以增加氨气发生率,但氨气发生率增加并非随着纳米份数的增加持续增加,而是存在个最佳点。分散剂对氨气发生具有一定的抑制作用。选择分散剂需兼顾考虑分散稳定性和对发生起促进或抑制作用,以达到最优效果。结合氨水纳米溶液降膜发生过程试验结果,以及前人关于纳米颗粒强化传热传质方面的研究,从纳米粒子的微运动、界面效应、Marangoni效应与Rayleigh-Benard效应、场协同理论、纳米流体物性以及发生过程宏观压差推动力等方面分别对纳米强化氨水发生过程的机理进行理论分析,更加翔实地证明纳米流体的粒子微运动和纳米流体的物性是纳米流体强化氨水降膜发生的主要因素。4)纳米流体氨水降膜发生的数值模拟研究。考虑纳米溶液物性的影响、流动参数的改变以及膜厚的变化,提出了氨水纳米溶液单管垂直降膜发生热质耦合过程的数学模型。采用有限差分法进行氨水降膜发生过程控制方程的离散,通过计算编程求解得到了垂直管外降膜的氨水纳米溶液或氨水基液在不同工况参数下的速度场、温度场、浓度场、液膜厚度、界面质量流率及热量流率分布等无法用实验测得的过程模拟量。模拟结果表明：①沿管长方向上,轴向平均速度和膜厚均呈递减趋势,而主体温度、壁面处温度、界面温度和平均液膜温度逐渐增大；在沿膜厚方向上,液膜主体温度分布呈递减趋势；在轴向方向和膜厚方向上,液膜的氨组分主体浓度分布都呈现一定程度的递减趋势；但沿管长方向上,溶液在壁面处和界面上的浓度以及平均液膜浓度都呈减小趋势,其中溶液的界面浓度变化最大；并且发现,气液界面处的热量和质量传递中扩散项起主要决定作用。②进口流量、进口浓度、热流密度、压力等因素影响氨水及氨水纳米溶液降膜发生传热传质。其中进口流量、热流密度对降膜发生传热传质系数的影响较为显著。③导热系数、粘度以及其扩散性能因纳米颗粒的加入对氨水溶液发生过程的发生速率、传热系数和传质系数影响程度各有不同。导热系数和扩散系数对三者有着积极的影响,而粘度对三者有着负面的影响。从对传热系数影响看,添加纳米后因导热系数的增加而产生的影响大于扩散系数增加引起的影响；而从对发生速率和传质系数影响看,反而由扩散系数的增加引起的变化大于导热系数增加引起的变化。
【关键词】：氨水 纳米颗粒 吸收式制冷 降膜发生 热质传递
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB65;TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 主要符号表12-15
• 第一章 绪论15-30
• 1.1 研究背景与意义15-17
• 1.2 国内外研究进展17-26
• 1.2.1 纳米流体17-21
• 1.2.2 纳米流体沸腾研究现状21-25
• 1.2.3 纳米流体的对流换热实验研究25-26
• 1.2.4 管外降膜蒸发研究现状26
• 1.3 纳米流体应用于氨水吸收式制冷系统的研究现状26-28
• 1.4 本文研究目标和研究内容28-30
• 第二章 适合于高温环境的纳米流体制备及分散稳定性研究30-51
• 2.1 纳米流体的稳定机理及分散方法30-32
• 2.1.1 纳米流体的稳定机理30-31
• 2.1.2 纳米流体的分散方法31-32
• 2.2 高浓度氨水纳米流体配制32-37
• 2.2.1 高浓度氨水纳米流体配制方法的选取32-33
• 2.2.2 纳米颗粒种类及分散剂的选取原则33-36
• 2.2.3 纳米流体制备所需仪器36
• 2.2.4 低浓度氨水纳米流体配置的具体步骤36-37
• 2.2.5 高浓度氨水纳米流体配置系统37
• 2.3 高温氨水纳米流体稳定性研究37-47
• 2.3.1 稳定性评价方法的选取37-38
• 2.3.2 氨水纳米溶液的制备方法38-40
• 2.3.3 纳米颗粒及分散剂初步确定40-42
• 2.3.4 纳米流体稳定性的实验研究42-47
• 2.4 阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的稳定性研究47-49
• 2.5 本章小结49-51
• 第三章 氨水纳米流体物性研究51-70
• 3.1 氨水物性参数方程51-52
• 3.2 粘度52-58
• 3.2.1 氨水溶液的粘度计算方程52
• 3.2.2 纳米流体粘度模型52-53
• 3.2.3 氨水纳米流体粘度实验53-55
• 3.2.4 实验结果及结论55-58
• 3.3 导热系数58-62
• 3.3.1 氨水溶液的导热系数计算方程58
• 3.3.2 纳米流体导热系数经典模型58
• 3.3.3 导热系数测试方法58-61
• 3.3.4 氨水纳米流体导热系数实验结果分析61-62
• 3.4 扩散系数62-64
• 3.4.1 氨水溶液中氨的扩散系数62
• 3.4.2 氨水纳米溶液中氨的扩散系数62-64
• 3.4.3 氨水纳米扩散研究结果64
• 3.5 表面张力64-67
• 3.5.1 氨水溶液的表面张力65
• 3.5.2 表面张力仪测试原理65-66
• 3.5.3 阴阳离子表面活性剂复配氨水纳米溶液的表面张力研究66-67
• 3.6 比定压热容67-68
• 3.7 汽化潜热68
• 3.8 密度68-69
• 3.9 泡点温度69
• 3.10 本章小结69-70
• 第四章 氨水纳米降膜发生实验装置设计与实验方法70-90
• 4.1 高浓度氨水溶液鼓泡吸收系统70-71
• 4.2 高浓度氨水纳米溶液混合系统71-73
• 4.3 氨水降膜发生实验装置73-82
• 4.3.1 方案拟定与设计方式、设计参数选择73-74
• 4.3.2 实验装置系统流程及结构组成74-78
• 4.3.3 主要设备设计或选型78-81
• 4.3.4 实验内容和实验方法81-82
• 4.4 降膜发生实验性能评价因素82-87
• 4.4.1 发生率定义82-83
• 4.4.2 发生率83
• 4.4.3 有效发生比83
• 4.4.4 放气范围83
• 4.4.5 传热、传质及流动数据处理及分析计算83-87
• 4.5 实验不确定度分析87-89
• 4.5.1 直接测量值的不确定度87-88
• 4.5.2 实验结果合成不确定度88-89
• 4.6 本章小结89-90
• 第五章 氨水纳米溶液降膜发生特性试验研究90-107
• 5.1 试验目的和内容90
• 5.1.1 试验目的90
• 5.1.2 试验内容90
• 5.2 试验材料及试验工况90-91
• 5.3 试验结果及分析91-97
• 5.3.1 不同类别纳米流体降膜发生对比91
• 5.3.2 活性剂质量分数对氨水降膜发生的影响91-92
• 5.3.3 纳米颗粒质量分数的影响92-93
• 5.3.4 热源温度(加热水)的影响93-94
• 5.3.5 氨水基液质量分数的影响94
• 5.3.6 发生压力的影响94-95
• 5.3.7 发生前后纳米氨水溶液稳定性对比95-97
• 5.4 纳米颗粒强化氨水降膜发生过程的机理初步分析97-105
• 5.4.1 纳米粒子的微运动97-98
• 5.4.2 降膜发生过程的界面效应98-99
• 5.4.3 Marangoni效应和Rayleigh-Benard效应99-100
• 5.4.4 基于场协同理论对纳米强化发生的分析100-104
• 5.4.5 纳米物性的影响104
• 5.4.6 宏观压差推动力104-105
• 5.5 本章小结105-107
• 第六章 氨水纳米溶液降膜发生传热传质数值模拟研究107-134
• 6.1 氨水纳米溶液降膜发生的物理模型107-108
• 6.2 氨水纳米溶液降膜发生过程数学模型108-116
• 6.2.1 建模过程的基本假设108-109
• 6.2.2 控制方程组的推导109-111
• 6.2.3 边界条件111
• 6.2.4 液膜速度和膜厚111-113
• 6.2.5 控制方程组的离散化113-115
• 6.2.6 离散方程组的求解流程115-116
• 6.3 氨水降膜发生模型的数值计算结果116-131
• 6.3.1 氨水液膜浓度场、温度场和速度场分布116-120
• 6.3.2 工况参数对氨水发生速率的影响120-126
• 6.3.3 纳米流体物性参数对氨水发生速率的影响126-131
• 6.4 模拟结果与实验值误差分析131-132
• 6.5 本章小结132-134
• 第七章 研究总结与展望134-137
• 7.1 全文工作总结134-135
• 7.2 主要创新点135-136
• 7.3 研究展望136-137
• 参考文献137-146
• 作者在攻读博士期间发表的论文及其他成果146-148
• 致谢148

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本文编号：908945