纳米燃油热物性参数及悬浮液滴蒸发特性研究

发布时间：2020-04-21 05:52

【摘要】：纳米流体是指将粒径为10~100nm的纳米尺度固体粒子均匀稳定地分散于流体中所形成的固液两相混合流体。纳米粒子的加入可以显著改变流体的粘度、导热系数、传热传质系数等基础特性参数,被广泛应用于高效热交换系统、光热转换、相变蓄冷、减摩润滑及温控印刷等领域。在燃烧领域,纳米粒子的高催化特性以及较强的储氧能力能够促进发动机的燃烧、降低污染物的生成。本文选用具有较高导热率、储氧能力以及催化性能的20nm和50nm的CNT、CeO_2以及Co_3O_4纳米粒子,以十六烷基三甲基溴化铵作为活性剂,采用两步法,分别配制浓度为50mg/L、100mg/L和150mg/L的纳米燃油。探究纳米粒子种类、粒径及浓度对纳米燃油物化特性和悬浮液滴蒸发特性的影响,以及纳米粒子与液体燃料在热力学过程中相互作用的一般规律,为纳米燃油清洁高效燃烧提供基础数据。全文主要工作如下:(1)采用恒温热重法研究纳米燃油的热动力学特性。基于Arrhenius方程、Langmuir和Antoine方程、Clausius-Clapeyron方程计算纳米燃油蒸发过程的活化能、蒸气压和蒸发焓。纳米粒子具有很大的比表面积,需要较多的能量使吸附于粒子表面的燃油分子脱离,因此纳米燃油蒸发需要更大的活化能,且随着纳米粒子质量分数的增加而增大。此外,在燃油蒸发过程中,纳米粒子的加入降低了基液的比热容,会加快液滴表面吸收的热量向液滴中心传递,延缓了液滴表面燃油的挥发,阻滞了液相分子的扩散,因而降低纳米燃油的蒸气压,其中浓度为50mg/L的20nmCeO_2纳米燃油较C14降低了6.71%。由于燃油分子与纳米粒子之间的范德华力及氢键作用,纳米燃油蒸发所需的蒸发焓升高,浓度为150mg/L的20nmCeO_2纳米燃油较基液增大了13.87%。(2)采用悬滴法测量并分析纳米燃油的表面张力。在100~140℃温度范围内,探究纳米粒子物质种类、粒径、质量分数以及环境温度对柴油表面张力的影响。研究发现,由于纳米粒子之间的吸引力使基液分子之间形成内聚力,增大基液表面自由能,因此增加了基液的表面张力,且随着纳米粒子质量分数增大以及粒径增大而增大;当温度升高时,液体分子的动能增大,分子运动加快,减小了分子间作用力,相互吸引力减弱,液体分子内聚能减小,因此基液燃油以及纳米燃油的表面张力随温度的升高而降低,且与温度呈线性关系;不同纳米粒子对燃油的表面张力影响也不同,相比于CeO_2以及Co_3O_4纳米粒子,CNT的体积密度较小,相同质量分数下纳米粒子数目较多,因此CNT纳米燃油表面张力较CeO_2以及Co_3O_4纳米燃油增加较大。(3)采用悬浮液滴蒸发装置研究纳米燃油的蒸发特性。探究纳米燃油液滴的蒸发变形行为,以及纳米粒子种类、粒径、浓度和温度对基础燃油蒸发特性的影响。研究发现,基液和纳米燃油液滴蒸发遵循D~2定律。温度较低时,纳米燃油的表面张力较大,纳米粒子的加入延缓了燃油液滴的蒸发,随着温度的升高,纳米燃油的表面张力降低,导热性较基液逐渐升高,因此液滴蒸发时间缩短。在100℃下,浓度为50mg/L的20nmCNT纳米燃油的蒸发速率较基液蒸发速率降低了1.12%;而180℃时,纳米燃油的蒸发速率增加了0.39%。同一浓度的纳米燃油,蒸发速率随纳米粒子粒径的增大而减小。此外,由于不同物质种类的纳米粒子具有不同的密度、极性和导热率等理化属性,对应的纳米燃油亦表现出不同的蒸发速率,其中CNT纳米燃油的蒸发速率最大,CeO_2以及Co_3O_4纳米燃油较小。本文研究了纳米燃油蒸气压、蒸发焓、蒸发过程活化能和表面张力等热力学参数,分析了纳米粒子对燃油液滴蒸发过程形态变化和蒸发速率的影响机理,为优化纳米燃油的雾化燃烧提供了重要的基础数据。
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流体表面张力,测量方法,表面张力

其他研究发现，在去离子水中加入 CNT 以及 ZnO 纳米粒子了 7%[48]。然而，Sohel 等[49]采用表面张力仪在常温下测量 T2的加入降低了去离子水的表面张力，并且表面张力几乎随faei 等[50]测量了碲化铋（Bi2Te3）-水纳米流体的表面张力，米粒子质量分数的增大而减小，但是当其减小到一定程度时而增大。以上研究可以看出，由于试验条件及研究方法的差的研究还没有得到一致的结论。（a）毛细管上升法（b）圆环法

碳纳米管

金属 Ag、Au、Cu、Pd 等金属氧化物 TiO2、ZnO、CeO2、Al2O3等金属氮化物 AlN、SiN 等金属硫化物 ZnS、CuS、FeS、Ag 等非金属碳纳米管、氧化石墨烯、富勒烯等聚合物羟甲基纤维素、海藻酸钠等是 Iijima 等[68]在 1991 年通过放电碳电极发现的一种特别实用的电阻和极好的柔韧性，尤其具有极好的导电性和导热性。碳ingle-Walled Nanotube，SWCNT）和多壁纳米管（Multi-Wal种类型。碳纳米管是碳的同素异形体，，具有圆柱形纳米结构，表 2.2 所示。从表可以看出，碳纳米管具有很高的热传导系数冷却领域得到了广泛的应用。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TQ517

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