水基纳米流体固液相变过程成核机理的研究

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蓄冷技术能够实现对电力负荷的“移峰填谷”,减少电力扩容及随之产生的能耗与污染,是储能技术发展的主要方向之一。但传统蓄冷工质的导热系数不高,在蓄冷中存在过冷现象,这要求制冷机降低蒸发压力和蒸发温度,造成性能系数COP的减小。如何提高蓄冷工质的导热性能,消除或减弱凝固相变过程的过冷现象是蓄冷技术研究的热点。   本文对纳米流体的制备进行了探索性研究,并详细地研究了纳米流体的凝固相变过程。主要工作如下:   1.将锐钛型和金红石型两种晶型的TiO2纳米颗粒添加到去离子水中,通过添加分散剂十二烷基硫酸钠(SDS)、超声振动等手段制备出不同浓度(0.05wt%~1.5wt%)的纳米流体,采用沉降法、分光光度法对其分散稳定性进行评价。实验结果表明,两种纳米流体的分散稳定性均随浓度的增大先增强后减弱,浓度为0.7wt%的纳米流体的分散稳定性最好。   2.使用差示扫描量热仪(DSC)研究了冷却速率(0.5℃/min~9℃/min)、浓度(0.05wt%~1wt%)对纳米流体的凝固相变过程的影响,研究对象包括锐钛型TiO2/水、金红石型TiO2/水和混合型TiO2/水三种纳米流体。实验结果表明,对于锐钛型TiO2/水纳米流体,在0.5℃/min~4.5℃/min冷却速率下,浓度为0.5wt%~1wt%的纳米流体的凝固相变过程与其它冷却速率、浓度范围内的纳米流体的凝固相变过程相比,其发生凝固相变的过冷度小、相变时间长、相变潜热多。对于金红石型TiO2/水纳米流体,则是在0.5℃/min、3℃/min冷却速率下,浓度为0.05wt%、0.3wt%的纳米流体发生凝固相变的过冷度小、相变时间长、相变潜热多。对于混合型TiO2/水纳米流体,其发生凝固相变的过冷度、相变时间、相变潜热随着冷却速率的增大分别增大、减小、减少。与去离子水的凝固相变过程相比,锐钛型TiO2/水和金红石型TiO2/水纳米流体发生凝固相变的过冷度、相变时间、相变潜热主要呈现三种变化关系:过冷度增大、相变时间缩短、相变潜热减少;过冷度减小、相变时间延长、相变潜热增多;过冷度减小、相变时间缩短、相变潜热增多。且对于锐钛型TiO2/水和金红石型TiO2/水纳米流体,这三种变化关系对应的凝固相变过程所在的冷却速率、浓度范围是不同的。混合型TiO2/水纳米流体呈现的变化关系只有一种,过冷度减小、相变时间缩短、相变潜热减少。本文分析认为作为异质成核基底的纳米颗粒的分散与聚集状态对纳米流体的凝固相变成核阶段有很大的影响。冷却速率、浓度、纳米颗粒的晶型、纳米颗粒的分散与聚集状态对纳米流体的凝固相变过程都有影响。
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