氧化石墨烯纳米流体在声悬浮条件下的过冷度抑制及成核规律研究

发布时间：2019-06-07 10:19

【摘要】：冰蓄冷技术可以发挥“移峰填谷”作用,平稳电网负荷,提升电厂发电效率,但水在相变凝固过程中导热系数不高,且存在较大过冷度,这削弱了冰蓄冷系统的运行效率。将纳米流体作为新型相变蓄冷材料,可以改善蓄冷系统的传热性能,同时纳米粒子的异质成核特性,能够减小相变过冷度,提高蓄冷工况的蒸发温度。相对基液而言,纳米流体具有更小的过冷度已被众多研究者证实,但几乎所有纳米流体过冷度测量都是在容器中进行,并且少有文献报道纳米粒子抑制过冷度的机理,为了消除容器壁面对成核的影响,本文采用声悬浮无容处理技术对氧化石墨烯纳米流体过冷特性和成核规律进行研究。主要研究工作和结果如下:(1)采用超声分散技术,以去离子水为基液,自行制备了质量浓度为0.03%的氧化石墨烯纳米流体,静置观察和纳米粒度及Zeta电位分析仪检测结果均表明实验制备的纳米流体具有良好的稳定性。搭建了声悬浮冷却系统,调试运行结果表明,实验系统能够实现液滴稳定悬浮、冷却凝固、以及温度的实时检测记录。(2)通过分析影响液滴悬浮稳定性因素,指出实验过程中液滴悬浮稳定性主要受温度变化影响,计算结果表明悬浮介质温度下降幅度很大时,会使超声波发射端和反射端偏离谐振状态,声悬浮力迅速下降,在此基础上提出了实现液滴稳定悬浮的方法。实验对比研究了去离子水和氧化石墨烯纳米流体在容器中、不锈钢表面和声悬浮下的过冷特性,结果表明,声悬浮可以削弱壁面等异质成核因素的干扰,有利于获得大过冷度。(3)在超声波发生器功率分别为20W和32W条件下,对体积为30μL的去离子水液滴进行500次成核实验,得到声悬浮下去离子水液滴相变过冷度分布,运用成核统计理论和经典成核理论对过冷度进行计算分析,得到两种功率下去离子水液滴的成核率表达式,进一步分析表明,提高声功率可以增大液滴有效成核区域和减小成核功,从而增大成核率。结合实验观察和Seeley-Seidler统计方法对声悬浮下去离子水液滴成核特点进行研究,发现成核主要发生在液滴表面区域,同时对表面成核机理进行了阐释。(4)采用与去离子水相同的实验条件和方法,测量了30μL质量浓度为0.03%的氧化石墨烯纳米流体在声悬浮下的相变过冷度,对实验测得的过冷度进行统计分析和拟合计算,得到纳米流体液滴的成核率,同时分析了声功率对成核区域、临界成核功、成核率的影响。分别基于体积成核和表面成核假设,对液滴成核特点进行分析,结果表明,声悬浮下氧化石墨烯纳米流体液滴的表面和内部都会发生成核,根据AFM和STEM的图像观测结果,建立了氧化石墨烯纳米粒子的三角形柱体模型,运用异质成核理论对纳米粒子促进体积成核的机理进行研究,结果表明,纳米流体液滴发生表面成核和体积成核的热动力学条件几乎等同。(5)对比分析了氧化石墨烯纳米流体和去离子水的过冷度、临界成核功、成核率,结果表明,加入纳米粒子使去离子过冷度分布趋于减小,20W和32W功率时纳米流体平均相变过冷度分别减小了2.7K和2.3K;与去离子水相比,纳米流体成核功在20W和32W功率下分别减少了60%和55%;另外,相同过冷度下纳米流体的成核率比去离子水大,并且随温度降低其增长速度更快,主要原因是纳米粒子的亲水性和异质成核特性,降低了成核功,使得晶核更容易形成。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11

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