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、冰蓄冷技術可以發(fā)揮“移峰填谷”作用，平穩(wěn)電網(wǎng)負荷，提升電廠發(fā)電效率，但水在相變凝固過程中導熱系數(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，同時納米粒子的異質成核特性，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，但幾乎所有納米流體過冷度測量都是在容器中進行，并且少有文獻報道納米粒子抑制過冷度的機理，為了消除容器

2、壁面對成核的影響，本文采用聲懸浮無容處理技術對氧化石墨烯納米流體過冷特性和成核規(guī)律進行研究。主要研究工作和結果如下：
　?、俨捎贸暦稚⒓夹g，以去離子水為基液，自行制備了質量濃度為0.03％的氧化石墨烯納米流體，靜置觀察和納米粒度及Zeta電位分析儀檢測結果均表明實驗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)，調試運行結果表明，實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)液滴穩(wěn)定懸浮、冷卻凝固、以及溫度的實時檢測記錄。
　?、谕ㄟ^分析影響液滴

3、懸浮穩(wěn)定性因素，指出實驗過程中液滴懸浮穩(wěn)定性主要受溫度變化影響，計算結果表明懸浮介質溫度下降幅度很大時，會使超聲波發(fā)射端和反射端偏離諧振狀態(tài)，聲懸浮力迅速下降，在此基礎上提出了實現(xiàn)液滴穩(wěn)定懸浮的方法。實驗對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，結果表明，聲懸浮可以削弱壁面等異質成核因素的干擾，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，對體積為30μL的去離子水

4、液滴進行500次成核實驗，得到聲懸浮下去離子水液滴相變過冷度分布，運用成核統(tǒng)計理論和經(jīng)典成核理論對過冷度進行計算分析，得到兩種功率下去離子水液滴的成核率表達式，進一步分析表明，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。結合實驗觀察和Seeley-Seidler統(tǒng)計方法對聲懸浮下去離子水液滴成核特點進行研究，發(fā)現(xiàn)成核主要發(fā)生在液滴表面區(qū)域，同時對表面成核機理進行了闡釋。
　　④采用與去離子水相同的實驗條件和方法

5、，測量了30μL質量濃度為0.03%的氧化石墨烯納米流體在聲懸浮下的相變過冷度，對實驗測得的過冷度進行統(tǒng)計分析和擬合計算，得到納米流體液滴的成核率，同時分析了聲功率對成核區(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，對液滴成核特點進行分析，結果表明，聲懸浮下氧化石墨烯納米流體液滴的表面和內部都會發(fā)生成核，根據(jù)AFM和STEM的圖像觀測結果，建立了氧化石墨烯納米粒子的三角形柱體模型，運用異質成核理論對納米粒子促進體積成核

6、的機理進行研究，結果表明，納米流體液滴發(fā)生表面成核和體積成核的熱動力學條件幾乎等同。
　?、輰Ρ确治隽搜趸┘{米流體和去離子水的過冷度、臨界成核功、成核率，結果表明，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