氧化石墨烯納米流體在聲懸浮條件下的過冷度抑制及成核規(guī)律研究.pdf

1、冰蓄冷技術(shù)可以發(fā)揮“移峰填谷”作用，平穩(wěn)電網(wǎng)負(fù)荷，提升電廠發(fā)電效率，但水在相變凝固過程中導(dǎo)熱系數(shù)不高，且存在較大過冷度，這削弱了冰蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率。將納米流體作為新型相變蓄冷材料，可以改善蓄冷系統(tǒng)的傳熱性能，同時(shí)納米粒子的異質(zhì)成核特性，能夠減小相變過冷度，提高蓄冷工況的蒸發(fā)溫度。相對(duì)基液而言，納米流體具有更小的過冷度已被眾多研究者證實(shí)，但幾乎所有納米流體過冷度測量都是在容器中進(jìn)行，并且少有文獻(xiàn)報(bào)道納米粒子抑制過冷度的機(jī)理，為了消除容器

2、壁面對(duì)成核的影響，本文采用聲懸浮無容處理技術(shù)對(duì)氧化石墨烯納米流體過冷特性和成核規(guī)律進(jìn)行研究。主要研究工作和結(jié)果如下：
　　①采用超聲分散技術(shù)，以去離子水為基液，自行制備了質(zhì)量濃度為0.03％的氧化石墨烯納米流體，靜置觀察和納米粒度及Zeta電位分析儀檢測結(jié)果均表明實(shí)驗(yàn)制備的納米流體具有良好的穩(wěn)定性。搭建了聲懸浮冷卻系統(tǒng)，調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)液滴穩(wěn)定懸浮、冷卻凝固、以及溫度的實(shí)時(shí)檢測記錄。
　?、谕ㄟ^分析影響液滴

3、懸浮穩(wěn)定性因素，指出實(shí)驗(yàn)過程中液滴懸浮穩(wěn)定性主要受溫度變化影響，計(jì)算結(jié)果表明懸浮介質(zhì)溫度下降幅度很大時(shí)，會(huì)使超聲波發(fā)射端和反射端偏離諧振狀態(tài)，聲懸浮力迅速下降，在此基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)液滴穩(wěn)定懸浮的方法。實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了去離子水和氧化石墨烯納米流體在容器中、不銹鋼表面和聲懸浮下的過冷特性，結(jié)果表明，聲懸浮可以削弱壁面等異質(zhì)成核因素的干擾，有利于獲得大過冷度。
　?、墼诔暡òl(fā)生器功率分別為20W和32W條件下，對(duì)體積為30μL的去離子水

4、液滴進(jìn)行500次成核實(shí)驗(yàn)，得到聲懸浮下去離子水液滴相變過冷度分布，運(yùn)用成核統(tǒng)計(jì)理論和經(jīng)典成核理論對(duì)過冷度進(jìn)行計(jì)算分析，得到兩種功率下去離子水液滴的成核率表達(dá)式，進(jìn)一步分析表明，提高聲功率可以增大液滴有效成核區(qū)域和減小成核功，從而增大成核率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察和Seeley-Seidler統(tǒng)計(jì)方法對(duì)聲懸浮下去離子水液滴成核特點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)成核主要發(fā)生在液滴表面區(qū)域，同時(shí)對(duì)表面成核機(jī)理進(jìn)行了闡釋。
　　④采用與去離子水相同的實(shí)驗(yàn)條件和方法

5、，測量了30μL質(zhì)量濃度為0.03%的氧化石墨烯納米流體在聲懸浮下的相變過冷度，對(duì)實(shí)驗(yàn)測得的過冷度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和擬合計(jì)算，得到納米流體液滴的成核率，同時(shí)分析了聲功率對(duì)成核區(qū)域、臨界成核功、成核率的影響。分別基于體積成核和表面成核假設(shè)，對(duì)液滴成核特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，聲懸浮下氧化石墨烯納米流體液滴的表面和內(nèi)部都會(huì)發(fā)生成核，根據(jù)AFM和STEM的圖像觀測結(jié)果，建立了氧化石墨烯納米粒子的三角形柱體模型，運(yùn)用異質(zhì)成核理論對(duì)納米粒子促進(jìn)體積成核

6、的機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明，納米流體液滴發(fā)生表面成核和體積成核的熱動(dòng)力學(xué)條件幾乎等同。
　?、輰?duì)比分析了氧化石墨烯納米流體和去離子水的過冷度、臨界成核功、成核率，結(jié)果表明，加入納米粒子使去離子過冷度分布趨于減小，20W和32W功率時(shí)納米流體平均相變過冷度分別減小了2.7K和2.3K；與去離子水相比，納米流體成核功在20W和32W功率下分別減少了60%和55%；另外，相同過冷度下納米流體的成核率比去離子水大，并且隨溫度降低其增長速度更