氧化石墨烯納米流體液滴在聲懸浮條件下的成核及液固相變特性研究.pdf

1、蓄冷技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)電力負(fù)荷的“移峰填谷”而成為電力需求側(cè)管理的一項(xiàng)有效措施。但大多數(shù)相變材料的過冷度較高，導(dǎo)致制冷機(jī)組的能效比較低。納米流體作為新型的蓄冷材料，在相變過程中能夠消除或減弱過冷現(xiàn)象受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，納米流體的過冷度或相變實(shí)驗(yàn)通常在試管、燒杯等容器中進(jìn)行，容器壁面及其表面附著的雜質(zhì)與納米粒子一樣也會(huì)促進(jìn)成核，從而無法判斷這種成核到底是誰的貢獻(xiàn)，無法明確納米粒子的真正成核效果。為了排除容器壁面及雜質(zhì)等因素的影響，本

2、文采用聲懸浮技術(shù)研究了氧化石墨烯納米流體的液固相變特性。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　?、俨捎贸暡〝嚢璧姆椒ㄖ苽淞搜趸┘{米流體。靜置觀察、粒徑及Zeta電位測(cè)量和透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，氧化石墨烯納米流體的分散穩(wěn)定性非常好。
　?、诓捎寐晳腋〖夹g(shù)研究了去離子水液滴的液固相變過程，結(jié)果表明，隨著冷卻速率的增加，去離子水液滴的過冷度逐漸增大；同時(shí)，分析了聲場(chǎng)對(duì)去離子水液固相變特性的影響，認(rèn)為由聲場(chǎng)引起的液滴旋轉(zhuǎn)、形態(tài)

3、振蕩及空化效應(yīng)均有抑制過冷度的作用。
　?、鄄捎寐晳腋〖夹g(shù)研究了濃度為50mg/100ml的氧化石墨烯納米流體液滴的液固相變過程，結(jié)果表明，隨著冷卻溫度的降低，納米流體液滴的液相降溫時(shí)間逐漸縮短，過冷度逐漸增大，液滴完全凍結(jié)的時(shí)間也明顯縮短。同時(shí)，對(duì)比分析了在聲懸浮條件下氧化石墨烯納米流體液滴與去離子水液滴液固相變曲線，結(jié)果表明，氧化石墨烯納米粒子能夠減小過冷度。
　?、芾碚撚?jì)算了去離子水的均質(zhì)成核率和氧化石墨烯納米流體的異

4、質(zhì)成核率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在無任何外界影響的情況下，去離子水想要結(jié)冰十分困難，成核率很??；納米流體的異質(zhì)成核率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于去離子水的均質(zhì)成核率；納米流體的異質(zhì)成核率隨濃度及過冷度的增加而增大。
　?、萃ㄟ^分析發(fā)現(xiàn)聲懸浮條件下氧化石墨烯納米流體液滴過冷度的抑制機(jī)理如下:首先，氧化石墨烯納米薄片具有促進(jìn)納米流體異質(zhì)成核的作用。通過異質(zhì)成核理論計(jì)算了氧化石墨烯納米薄片有效成核的條件，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了納米薄片能夠有效促進(jìn)異質(zhì)成核的發(fā)生；其次，聲場(chǎng)引

5、起的納米流體液滴的旋轉(zhuǎn)及其表面的振動(dòng)能夠起到抑制過冷度的作用。由于納米流體液滴旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)時(shí)將引入促使納米流體液滴克服成核勢(shì)壘的外界能量，從而可使納米流體液滴能夠提前進(jìn)入成核階段；再者，空化效應(yīng)具有促進(jìn)納米流體液滴成核結(jié)晶的作用。在聲場(chǎng)的作用下，納米流體內(nèi)部的微小氣泡將會(huì)發(fā)生空化效應(yīng)，空化氣泡破裂時(shí)將會(huì)引起氣泡壁處的納米流體承受瞬時(shí)高壓，該瞬時(shí)高壓可使氣泡壁處的納米流體具有局部過冷度。通過Clausius-Clapeyron方程計(jì)算得出空

6、化效應(yīng)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的局部過冷度較大且極易促進(jìn)成核結(jié)晶過程的發(fā)生。同時(shí)，認(rèn)為發(fā)生空化效應(yīng)時(shí)遺留下的薄層冰可以作為進(jìn)一步異質(zhì)成核的基底，能夠起到促進(jìn)納米流體液滴成核結(jié)晶的作用；此外，聲輻射壓對(duì)納米流體液滴過冷度也有很大影響，聲輻射壓越大，發(fā)生空化效應(yīng)的氣泡越多，促進(jìn)納米流體發(fā)生成核的幾率就越大，抑制過冷度的效果越佳。
　　本文的研究成果對(duì)深入了解氧化石墨烯納米流體作為新型相變蓄冷材料具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)，也為研發(fā)高效節(jié)能的相變蓄冷材