（化学工程专业论文）双组分纳米流体的物性测量和nh3h2o泡状吸收强化的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 利用纳米流体强化基础液体的导热性能和扩散性能的作用来提高n h 3 l d 2 0 泡状吸 收过程的传热传质特性是一种新型的吸收强化方法，其研究刚刚起步。现有文献对适合 吸收过程的纳米流体制备、纳米流体的热物理性质、以及对吸收强化机理等方面的研究 还很不完善，本文尝试在这些方面进行一些探索性的工作，为这种强化方法的进一步研 究和工业化应用奠定基础。 1 ) 本文选择化学性质稳定的碳纳米管( c ! n r s ) 作为纳米颗粒，在氨水中制备了稳 定的c n t $ 删3 双组分纳米流体，并设计一系列的实验，研究了c n t s - n h 3 双组分纳米 流体的物理性质，考察了颗粒质量百分比、氨的浓度和温度等因素对双组分纳米流体物 理性质的影响。实验结果表明，碳纳米管的加入确实提高了氨水的导热系数，并且强化 效果随着颗粒质量百分比的增加和温度的升高而增加。但是，由于氨分子的存在影响了 碳纳米管的分散性，因此导热系数的强化效果低于以纯水为基础液体的纳米流体；双组 分纳米流体的运动粘度和表面张力与纯氨水相比变化很小，只是随着碳纳米管质量百分 比的增加而略有增加，并且这些性质随氨的浓度和温度的变化趋势与纯氨水是一致的。 2 ) 本文利用可视化实验手段考察了荧光素在s i 0 2 - h 2 0 和c n t s - h 2 0 两种纳米流体 的扩散情况。实验结果发现，荧光素在纳米流体中的扩散速率要大于其在纯水中的扩散 速率，并且对于纳米流体中荧光素的扩散速率的强化效果来说，纳米颗粒的加入量存在 一个最佳值。 3 ) 本文结合对双组分纳米流体热物性的研究结果和相关文献，从n h 3 h 2 0 泡状吸 收过程中的热量传递过程、质量传递过程、气泡生成过程三个角度，探讨了纳米颗粒的 加入对吸收过程的强化作用。纳米颗粒的加入提高了吸收工质氨水导热性能和扩散性 能，引入了传输效应，增加了氨水中氨气的气含率，进而改善了吸收过程的热质传递特 性。在此基础上，设计了n n 3 f l - - 1 2 0 泡状吸收实验装置，考察了碳纳米管的质量百分 比、氨的初始浓度、氨气流速三个因素对c n t s 椰 3 双组分纳米流体吸收强化特性的影 响，并对其强化机理进行了分析。实验结果发现，与前人的研究结果不同，双组分纳米 流体中n h d h 2 0 泡状吸收强化比并没有随着碳纳米管加入量的增加而一直增加，而是 呈现一种先增加，后下降的趋势。泡状吸收强化比随着基础液体中氨的初始浓度的增加 而增加。氨的初始浓度越大，氨水的吸收潜能越小，纳米流体对吸收的强化作用越明 显。氨气流量的变化在本实验变化的范围内，对双组分纳米流体中n h 3 】嘎o 泡状吸收 的强化效果影响很小。 双组分纳米流体的物性测量和n h d h 2 0 泡状吸收强化的研究 4 ) 利用高速摄像技术观察了气泡在s i 0 2 h 2 0 和s i 0 2 - c 2 h 5 0 h 两种透明纳米流体 中的形成过程，并结合气泡动力学，分析了纳米流体中气泡尺度变化的原因。结果发 现，纳米颗粒的存在降低了气泡的脱离半径，提高了气泡的脱离频率。在相同的气体流 量下，气泡的半径越小，液相中的气含率越大。这样的实验结果证明了纳米流体中气泡 气含率增加除了文献报道的颗粒能够阻止气泡在运动过程中的合并这个原因外，气泡 脱离半径的减少也是一个重要原因。同时该实验结果也说明纳米颗粒对气泡尺度的影响 是双组分纳米流体强化n h 3 i r l 2 0 泡状吸收过程的_ 个重要因素。 关键词：双组分纳米流体；泡状吸收；过程强化；物性；气含率 大连理工大学博士学位论文 p h y s i c a lp r o p e r t i e sm e a s u r e m e ma n dn h 3 i - 1 2 0b u b b l ea b s o r p t i o n e n h a n c e m e n to fb i n a r yn a n o f l u i d s n a n o f l u i d s ，w h i c hc a l le n h a n c et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dm a s sd i f f u s i 诎yo ft h eb a s e n u i di san o v e la p p r o e h et oi m p r o v et h eh e a ta n di 郴t r a n s f e ri nt h en h 3 i - 1 2 0b u b b l e a b s o r p t i o np r o c e s s ，mp r e v i o u si n v e s t i g a t i o n sa l el i m i t e db e c a u s eo fm a n ye n c o u n t e r e d p r o b l e m s ，s u c ha st h ep r e p a r a t i o no ft h es p e c i f i cn a n o f l u i d sf o rt h ea b s o r p t i o np r o c e s s ，t h e t r a n s p o r t a t i o np r o p e r t i e so ft h eb i n a r yn a n o f l u i d s ，t h ef a c t o r sa n dt h em e c h a n i s ma f f e c t i n gt h e a b s o r p t i o ne n h a n c e m e n t t i l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t sf o rt h e n h d h 2 0b u b b l ea b s o r p t i o np r o c e s su s i n gb i n a r yn a n o f l u i d s 1 ) 1 1 1 ec a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) a r eu s e da st h en a n o p a r t i c l e s ，a n dt h ec n t s - n h 3b i n a r y n a n o f l u i di sp r e p a r e dw i t h o u ta n ys u r f a c t a n t sa d d i t i o n 1 1 l ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha st h e r m a l c o n d u c t i v i t y , s u r f a c et e n s i o na n d k i n e m a t i cv i s c o s i t y o fb i n a r yn a n o f l u i d s ，a r em e a s u r e d 皿1 e e f f e c t so ft h em a s sf r a c t i o no fc a r b o nn a n o t u b e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i aa n dt h e t e m o e m t u r ea r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dw i t has e r i e so fe x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c n t s 删1b i n a r yn a n o f l u i d sh a v er e m a r k a b l yh i g h e re f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e st h a nt h a t o ft h ea q u e o u sa m m o n i a , a n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yr a t i ob e t w e e nt h eb i n a r yn a n o f l u i da n d t h eb a s ef l u i di n c r e a s e sw i t ht h em a s sf r a c t i o no fc a n dt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g h o w e v e r , t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yr a t i o so fc n t s - n h 3n a n o f l u i d sa r el o w e rt h a nt h a to ft h e c n t s - r po n e sd u et ot h ei n f l u e n c eo fa m m o n i ai o r so nt h ed i s p e r s i o no fc n t si nt h eb a s e f l u i d 1 1 l ea d d i t i o no fa 岍sh a so n l yas l i g h te f f e c to nt h es u r f a c et e n s i o na n dk i n e t i cv i s c o s i t y o ft h ec n t s - n h 3b i n a r yn a n o f l u i d , a n dt h ev a r i a t i o nt r e n do ft h e s ep r o p e r t i e sw i t ht h e c o n c e n t r a t i o no f a m m o n i aa n dt h et e m p e r a t u r ei ss a m ew i t ht h a to f t h ea q u e o u sa m m o n i a 2 ) 1 1 1 ee f f e c t so ft h en a n o p a r t i c l e so nt h em a s sd i f f u s i o na r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y b yv i s u a l i z i n gt h ed i f f u s i o np r o c e s so faf l u o r e s c e i ni nt h es i 0 2 - h 2 0n a n o f l u i da n dt h ec n t s - h ，on a n o f l u i d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f u s i o nr a t e so ft h ef l u o r e s c e i ni nt h et w ok i n d so f n a n o f l u i d sa r eh i g h e rt h a nt h o s ei nw a t e r , a n da no p t i m u mm a s sf r a c t i o no fn a n o p a r t i c l e se x i s t s f o rt h ee n h a n c e m e n to f t h ed i f f u s i o nr a t ei nt h en a n o f l u i d s 3 ) n l ee x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e df o rt h ee n h a n c e dp e r f o r m a n c eo ft h eb i n a r yn a n o f l u i d f o rt h en h 3 h 2 0b u b b l ea b s o r p t i o np r o c e s s n l ee f f e c t so ft h em a s sf r a c t i o no fc n t s ，t h ei n i t i a l i i i 双组分纳米流体的物性测量和n h 3 h 2 0 泡状吸收强化的研究 c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i aa n dt h ef l o w 眦o fa m m o n i av a p o ro nn h 3 h 2 0b u b b l ea b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t i v ea b s o r p t i o nr a t i od o e s n ti n c r e a s e l i n e a r l yw i t ht h em a s sf r a c t i o no f n a n o p a r t i c l e s ，b u ti n c r e a s e sf i r s t l y ，a n dt h e nd e c r e a s e n a m e l y , t h e r ei sa l lo p t i m u mm a s sf t a c t i o no fn a n o p a r t i c l e sf o rt h ee n h a n c e m e n to ft h eb u b b l e a b s o r p t i o n t h ee f f e c t i v ea b s o r p t i o nr a t i oi n c r e a s e sw i t ht h ei n i t i a lc o n c e n 饷妇o no fa m m o n i a i n c r e a s i n g t h ea b s o r p t i o np o t e n t i a lo fa q u 0 l 塔a m m o n i ag e n e r a l l yd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g t h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o n , i e t h el o w e rt h ea b s o r p t i o np o t e n t i a li s , t h em o r es i g n i f i c a n tt h e e n h a n c e m e n t t h ef o wr a t eo fa m m o n i av a p o rh a sl i t t l ee f f e c to nt h ee n h a n c e m e n to fb u b b l e a b s o r p t i o ni nt h eb i n a r yn a n o f l u i dw i t h i nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g e b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d y a b o u tt h et h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h eb i n a r yn a n o f l u i da n dt h er e l e v a n tr e p o r t si n l i t e r a t u r e ，t h em e c h a n i s mo ft h eb i n a r yn a n o f l u i df o re n h a n c i n gb u b b l ea b s o r p t i o np r o c e s si s a n a l y z e d 、析mr e s p e c tt ot h ee f f e c t so ft h en a n o p a r t i c l e s0 1 1t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，m a s s t r a n s f e rp r o c e s sa n dt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h eb u b b l e si nt h en h 3 h 2 0b u b b l ea b s o r p t i o n p r o c e s s t h ep r e s e n c eo fn a n o p a r t i c l e sc a ni m p r o v et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dn l a s s d i f f u s i v i t yo fa q u e o u sa m m o n i a , s t i m u l a t i n gt h eg r a z m ge f f e c t , a n di n c r e a s et h eg a sh o l d u po f a m m o n i av a p o ri na q u o l j sa m m o n i a a n dh e n c ei tc a ne n h a n c et h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri n t h eb u b b l ea b s o r p t i o n 4 ) t h ef o r m i n gp r o c e s s e so ft h eb u b b l e si nt w ot r a n s p a r e n tn a n o f l u i d so fs i 0 2 一h 2 0a n d s i 0 2 - c 2 h s o ha r eo b s e r v e db yt h eh i g h - s p e e dc c dc a m e r a , a n dt h ec h a n g e so ft h eb u b b l e d e t a c h i n gs i z ei nt h en a n o f l u i d sa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c so ft h eb u b b l e t h e r e s u l t ss h o wt h ep r e s e n c eo ft h es i 0 2n a n o p a r t i c l e sd e c r e a s e st h er a d i u so ft h eb u b b l ea n d i n c r e a s e st h ed e t a c h i n g f r e q u e n c yo ft h eb u b b l e si nt h et w on a n o f l u i d s m o r e o v e l , t h er a d i u so f t h eb u b b l ed e c r e a s e s 、析t l lt h em a s sf r a c t i o no f t h en a n o p a r t i c l e si n c r e a s i n g t h es m a l l e rb u b b l e s a l ec o n t r i b u t e dt ot h eh i g h e rg a sh o l d u pa tt h es a m ef l o wr a t eo ft h eg a s t h e r e f o r e ，i tc a r lb e p r o v e dt h a tt h en a n o p a r t i c l e sa f f e c ta s s u r e d l yt h ef o r m i n gp r o c e s so f t h eb u b b l e sa n da r eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h ei n c r e a s eo ft h eg a sh o l d u pi nt h en a n o f l u l da n df o re n h a n c i n g b u b b l ea b s o r p t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：b i a i yn a n o f l u i d s ；b u b b l ea b s o r p t i o n ；p r o c e s se n h a n c e m e n t ；p h y s i c a l p r o p e r t i e s ；g a sh o l d u p i v 大连理工大学博士学位论文 注释说明清单 英文字母 c 坤 颗粒的质量百分含量 c a基础液体中氨的质量百分含量 d扩散系数 讳 颗粒的直径 毋 浮力 凡 附加表面力 而 粘性力 月 惯性力 厂气泡的脱离频率 g 重力加速度 ，电流密度 k 液体的导热系数 波尔兹曼常数( = 1 3 8 0 7x 1 0 - 2 3 j k ) m质量 正 n氮气的体积流量 互i a 氨气的体积流量 口 热流密度 尺 电阻 陆 吸收强化比 r a b吸收速率 ，b气泡的脱离半径 岛荧光素的扩散面积 丁 温度 f时间 电桥输出电压 吸收速率差 甜一n n n n 一心a 嘛 g-西舻q 矿一一s v 矿 双组分纳米流体的物性测量和n h 3 h 2 0 泡状吸收强化的研究 希腊字母 a 热扩散系数 丫欧拉常数( 其值为0 5 7 7 2 15 7 ) p 密度 仃 表面张力 矿，液体的运动粘度 2 一 皿埘 甜 蛳m 双组分纳米流体的物性测量和n h s h 2 0 泡状吸收强化的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性说明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本 论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丞塑佥纳苤速篮鲍塑性测量狸! ! 旦么垡2 q 渔达区达塑焦数 砑窒 作者签名：卿! 丝乙鱼 日期：型“月王日 大连理工大学博士学位论文 引言 吸收式热泵是一种有效回收和利用低品位能源的节能技术，越来越受到人们的重 视。第一类吸收式热泵利用部分高温位热能( 或电能) 驱动热泵，提升中温位能源或可 再生能源( 如地热能和海洋热能等) 的品位。在民用建筑空调、大型制冷等领域有着很 广泛的应用。第二类吸收式热泵( 又称吸收式热变换器) 是利用低温位热能向环境排放 的同时驱动热泵，把低温位的废热转移到更高的温位而重新利用，同时还减少了废热和 废水对环境的污染。因此，无论从节能的角度还是环境保护的要求出发，第二类吸收式 热泵对工业生产都具有可观的经济效益和社会效益。 吸收式热泵主要都是由吸收器、再生器、蒸发器、冷凝器和液液换热器等五部分组 成。吸收器是其中最重要的元件之一，吸收性能的好坏直接关系到整个吸收式热泵系统 的性能。因此，强化吸收技术一直是吸收式热泵研究方面的一个热点。在吸收过程中， 传热过程伴随着传质过程，而且两个过程相互影响，相互耦合，是一个非常复杂的热质 传递问题，其物理机制的研究到目前还很不完善。传统的吸收强化技术实质上是通过各 种手段来提高传热边界层和传质边界层的扰动，从而提高热量传递和质量传递过程的速 率。然而，常用的吸收工质对，如溴化锂水，氨水等，其自身的导热性能和扩散性能 都比较差，极大地限制了吸收过程中热量和质量的传递速率，成为进一步强化吸收过程 的一个瓶颈。 纳米流体是指将纳米级的颗粒均匀地分散到传统的传热工质( 如水、油、醇等) 中形 成的稳定的固体颗粒悬浮液，是纳米技术在传热和传质领域的一个重要应用。纳米流体 最大的特点就是可以极大地提高基础液体的导热系数，因此关于纳米流体导热系数的测 量及强化机理的研究一直是纳米流体研究中的热点问题。自从1 9 9 5 年c h o i 1 提出纳米 流体的概念以来，很多的研究者 2 5 ，1 7 , - , 3 3 ，3 8 - - 4 1 狈1 j 量了加入各种纳米颗粒的纳米 流体的导热系数。研究结果都表明，纳米颗粒的加入确实可以极大地提高基础液体的导 热系数，最大时可以提高将近8 0 2 】。除了导热性能方面的强化以外，纳米流体还可 以提高扩散物质在其中的扩散性能。有研究表明【4 5 】，扩散物质在纳米流体中的有效扩 散系数是其在水中的扩散系数的十几倍。由于纳米流体在传热和传质方面的强化作用， 纳米流体在对流传热、沸腾传热、热管、电子设备的散热等方面都有很广泛的应用。 纳米流体对基础液体的导热性能和扩散性能的提高可以有效地解决吸收工质其自身 的导热性能和扩散性能差的弱点，从而强化整个吸收过程。因为吸收工质通常是一种二 元混合物，而传统的纳米流体的基础液体一般是单质液体，因此，为了与之区分，将在 双组分纳米流体的物性测量和n h 3 h 2 0 泡状吸收强化的研究 吸收工质中制备的纳米流体称为双组分纳米流体。在这方面最近已经有人做了相关的研 究 1 2 8 - 1 3 3 ，证实纳米流体确实可以提高吸收过程中的传热和传质性能。但是，目前 针对纳米流体在吸收强化方面的研究还处在一个非常初级的阶段，存在很多的不足，例 如：适用于吸收过程的纳米流体的制备，纳米颗粒的加入对吸收工质对物理性质方面的 影响，纳米流体强化吸收过程的机理的认识等问题都亟待解决。 本文的目的就是制备一种适合吸收过程强化的纳米流体，对其物理性质、吸收强化 效果进行研究，分析其中的强化机理，为纳米流体在吸收强化方面的应用奠定基础。研 究中，选择了化学性质稳定的碳纳米管作为配制双组分纳米流体的纳米颗粒，并通过对 碳纳米管的表面改性，在不使用表面活性剂的情况下，制备了稳定的c n t s - n h 3 双组分 纳米流体，避免了表面活性剂对纳米流体强化吸收过程的影响。在此基础上通过实验首 先研究了c n t s - n h 3 双组分纳米流体的导热系数、表面张力和运动粘度等物理性质的变 化情况，分析了纳米颗粒和氨分子对纳米流体的这些物理性质的影响。利用已有的纳米 流体的导热系数计算模型，与双组分纳米流体导热系数的实验数据相结合，得到了适合 c n t s - n h 3 双组分纳米流体的导热系数的计算关联式。另外，通过可视化的实验手段， 测量了扩散物质在纳米流体中的扩散速率，考察了颗粒的加入量对扩散速率的影响规 律，分析了纳米流体中扩散物质的扩散速率提高的原因。而后，从纳米颗粒的加入对泡 状吸收过程中传质过程、传热过程、气泡行为三方面的影响出发，分析了双组分纳米流 体泡状吸收强化机理。利用搭建的泡状吸收实验装置，研究了c n t s - n h 3 双组分纳米流 体的泡状吸收强化特性，考察了颗粒的含量、氨的初始浓度及氨气的气速三个因素对双 组分纳米流体泡状吸收强化效果的影响。最后，利用高速摄像技术，研究了纳米颗粒对 气泡形成过程的影响，从气泡形成动力学角度出发，分析了纳米流体中生成的气泡体积 减少的原因。证实了纳米颗粒使得双组分纳米流体中气泡体积减少是双组分纳米流体强 化吸收过程的一个重要原因。 4 大连理工大学博士学位论文 1 文献综述 本文的研究主要是利用纳米流体在传热传质方面的强化特性来提高吸收过程中的传 热传质速率，因此本章将从纳米流体和吸收强化技术两个层面对相关的研究工作进行综 述。 1 1 纳米流体 纳米科学技术是指在纳米尺度( 1 n m 到l o o n m 之间) 上研究物质( 包括原子、分子的 操纵) 的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质小到 1 - 1 0 0 h m ( 1 0 气1 0 。7 i m 时，其量子效应、物质的局域性、巨大的表面及界面效应使物质的 很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现 象。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物 理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。 纳米科学技术最早是由著名物理学家、诺贝尔奖获得者f e y n m a n 在1 9 5 9 年提出 的，他在一次著名的讲演中指出，如果人类能够在原子分子的尺度上来加工材料、制 备装置，我们将有许多激动人心的新发现。1 9 7 4 年，t a n i g u c h i 最早使用纳米技术 ( n a n o t e c h n o l o g y ) - - 词描述精细机械加工。7 0 年代后期，麻省理工学院d m x l e r 教授提倡 纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。纳米科技的迅速发展是在 8 0 年代末、9 0 年代初。8 0 年代初发明了f e y n m a n 所期望的纳米科技研究的重要仪 器一扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 等微观表征和操纵技术，它们对纳 米科技的发展起到了积极的促进作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大 的生命力，迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。 纳米流体是指将纳米级的颗粒均匀地分散到传统的传热工质( 如水、乙醇和导热 油) 中形成的稳定的固体颗粒悬浮液。最初是由c h o i 等【1 】在1 9 9 5 年提出的。它是纳米 科学技术在传热传质领域的一个重要应用。因为纳米颗粒的加入极大地提高了基础液体 的导热性能附】，所以纳米流体在对流传热 6 】、沸腾传热 7 - 9 、热管 1 0 1 2 等传热领域 有很广泛的应用。关于纳米流体方面的研究已经成为目前传热领域研究的一个热点，发 表的相关文章呈现一种逐年增加的趋势( 图1 ) 【5 】。下面将从纳米流体的制备技术、导 热系数的研究、对流传热研究、沸腾传热研究、强化传质过程五个方面对纳米流体的相 关研究进行详述。 双组分纳米流体的物性测量和n h 3 h 2 0 泡状吸收强化的研究 7 0 望0 0 o 秀 耄 葛 缸 皇 狮 匕 ； ：乏1 0 o s c l il 龟b l i c a t i o n s p r l apl k 。正h e a tm a s st r a n s f e r j h e a tt i i a n 嚣f h j c o l l o i di n t e l f a t es c i - m l v 霉l e t t e a i n i 。h e a t 网暾d f l o w j c h e m l 口h y s e t c 1 9 9 92 0 0 02 0 0 to 盘2 0 0 32 0 0 4嬲 y e a ro fp u b l i c a t i o n 图1 1 关于纳米流体研究的文章发表情况 5 f i g 1 1a n n u a ls c ip u b l i c a t i o n so nn a n o f l u i d s 1 1 1 纳米流体的制备技术 纳米流体的很多性质都与纳米颗粒的分散程度有很大的关系，例如纳米流体导热系 数的强化效果，就直接受到纳米颗粒分散性的影响。而对纳米颗粒在基础液体中的分散 性影响最大的就是纳米流体的制备过程，因此纳米流体的制备技术是纳米流体研究和应 图1 2 “两步法 制备纳米流体的过程 f i g 1 2p r e p a r a t i o no f n a n o f l u i d s 、丽l m os t e pm e t h o d 6 大连理工大学博士学位论文 用的一个重要基础。目前纳米流体的制备方法主要有两大类：“两步法 和“一步 法 。 所谓“两步法”就是首先由气体冷凝法、化学合成法等方法制备出纳米级的颗粒， 然后将纳米颗粒与基础液体混合，通过一系列的分散手段将颗粒分散均匀，形成稳定的 纳米流体，具体制备过程如图1 2 所示。 这种制备纳米流体的方法的优点是制备过程相对比较简单，可以制备各种纳米颗粒 的纳米流体。其缺点是制备过程中，纳米颗粒会产生一定的团聚，团聚体粒径甚至达到 微米级，以至毫米级，颗粒的粒径分布很难控制，这为纳米流体的长期稳定带来了一定 的困难，另外也会影响到纳米流体的很多性质，如导致纳米流体导热系数的降低。为了 克服这个缺点，一般在制备过程中，要加入一定的表面活性剂作为分散剂，促使纳米颗 粒更加均匀的分散到基础液体中，阻止颗粒的团聚。 所谓“一步法 就是利用气体冷凝法、化学合成法等方法直接在传统的传热工质中 中生成纳米级的颗粒，从而直接一步生成纳米流体。最早，a k o n 等【13 】在3 0 年前就提 出了这个方法，将金属蒸气注入液流中冷凝形成纳米颗粒，但是当时是用来制备纳米颗 粒，由于此法制备的纳米颗粒难以与液体分离，未受到重视。而纳米流体却正需要纳米 颗粒与液体的混合。c h o i 等【5 】利用相似的方法在真空条件下，将铜蒸汽注入水中，制 备了c u - h 2 0 纳米流体。实验装置如图1 3 所示，制备的纳米流体颗粒直径很小( 直径 在1 0 n m 2 0 n m ) ，分布也很均匀。l 0 等 1 4 、1 5 采用浸没式弧光放电法在水中制备了 c u o h e o 纳米流体和a g h 2 0 纳米流体，实验装置分别如图1 4 和1 5 所示，制备的颗 粒直径在5 2 5 n m 。 除了物理方法生成纳米颗粒的方法以外，也有使用化学合成法的。z h u 等 1 6 在微 波照射下，通过n a h 2 p o 。h 2 0 还原乙二酸乙二醇酯中的c u s 0 4 5 h 2 0 ，通过控制 n a h 2 p o 。h 2 0 的浓度和微波照射来控制纳米颗粒生长速度，制备了铜7 , - - 酸乙二醇酯 纳米流体。制备的铜颗粒的直径在2 0 3 0 n m 之间。 采用“一步法 制备的纳米流体的优点是制备出的纳米颗粒在基础液体中团聚的程 度很小，颗粒的粒径比较小，比用两步法制备的纳米流体要稳定。另外，采用物理方法 制备的纳米流体除了颗粒以外，没有其他杂质，如表面活性剂等，有利于单独研究纳米 颗粒的加入对纳米流体性质的影响。其缺点是制备装置比较复杂，成本比较高，目前还 只能停留在实验室阶段，无法实现大规模的工业化生产。 7 双组分纳米流体的物性测量和n h 3 h 2 0 泡状吸收强化的研究 图1 3 一步法制备纳米流体的实验装置示意图【5 】 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f ao n e s t e pn a n o f l u i dp r o d u c t i o ns y s t e m 图1 4 浸没式弧光放电法制备c u o - h 2 0 纳米流体的实验装置示意1 蛩 1 4 】 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fa r e s u b m e r g e dn a n o p a r t i c l e ss y n t h e s i ss y s t e mp r o d u c i n g c u o - h 2 0 n a n o f l u i d 8 大连理工大学博士学位论文 图1 5 浸没式弧光放电法制备a g - h 2 0 纳米流体的实验装置示意副1 5 1 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a m o fa r c - s u b m e r g e d n a n o p a r t i c l e ss y n t h e s i ss y s t e mp r o d u c i n ga g h 2 0 n a n o f l u i d 1 1 2 纳米流体导热系数 纳米流体的最大特点就是可以极大程度地提高液体的导热系数，从而强化各种传热 过程。因此，纳米流体导热系数的研究一直是纳米流体相关研究的重点领域。针对纳米 流体导热系数的研究主要可以分为两个方面：导热系数的实验研究和导热系数强化机理 及预测模型的理论研究。 1 1 2 1 纳米流体导热系数的实验研究 自从1 9 9 5 年，c h o i 等【1 】提出“纳米流体 概念以来，很多的研究者都测量了加入 不同纳米颗粒的纳米流体的导热系数 2 5 ，1 7 3 3 ，3 l 】，实验结果都表明纳米流体 确实可以提高液体的导热系数。k a b e l a c 等 4 】对世界上主要的研究小组测量纳米流体导 热系数的实验结果进行了总结，如图1 6 和1 7 所示，图1 6 为以有机物为基础液体的纳 米流体，图1 7 为以水为基础液体的纳米流体。从图上可以看出，无论是以有机物为基 础液体的纳米流体，还是以水为基础的纳米流体，各研究小组测量纳米流体导热系数的 实验结果相差很大，纳米流体导热系数提高的倍数，大的可以达到7 0 , - - 8 0 ，低的只有 5 - 1 0 。即使是相同的基础液体加入相同的纳米颗粒，不同研究者的实验结果依然存在 很大的差距。 9 双组分纳米流体的物性测量和n h 3 h 2 0 泡状吸收强化的研究 p a r t i c l e sv o l u m ef r a c t i o n e a s t m a nc u o i l o h o n gf e - e g k a n gd i a m o n d - e g vl e ec u o - e g o l e ea 1 2 0 a - e gx i ea 1 2 0 3 ( 6 0 n m ) - e g l a i o x u a nc u - o i l w a n ga 1 2 0 a - e g x y a n gg r a p h i t e x i e a 1 2 0 3 ( 2 5 n m ) e g 图1 6 以有机物为基础液体的纳米流体的导热系数的测量结果【4 】 f i g 1 6s u m m a r yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rn a n o f l u l d si no r g a n i cs y s t e m 从目前的研究结果看，造成各研究小组实验结果差距较大的原因是多方面的。总结 一下，主要可能有以下几个方面： 1 ) 测量方法 目前在文献中常用的测量纳米流体的导热系数的方法主要有三种：瞬态热丝法 ( t r a n s i e n t h o t - w i r em e t h o d ) 、稳态平板法( s t e a d yp a r a l l e l p l a t em e t h o d ) 和热波法 ( t e m p e r a t u r eo s c i l l a t i o nm e t h o d ) 。其中瞬态热丝法是最常用的一种方法，很多研究小 组用的都是这种方法 1 8 - 2 7 ，2 9 ，3 0 ，3 2 ，3 3 】。实验装置如图1 8 所示。 h a m m e r s c h m i d t 等【3 4 】专门分析了瞬态热丝法的测量误差，测试认为瞬态热丝法非常适 合测量均匀液体和气体的导热系数，误差很小。李强等 3 5 】针对传统瞬态热丝法存在端 部效应的缺点，对其进行了改进，建立了双瞬态热丝法，进一步减少了瞬态热丝法的测 量误差。虽然瞬态热丝法测量液体导热系数很准确，然而也有研究者 3 6 ，3 7 认为纳米流 1 0 大连理工大学博士学位论文 q 窭 。； 苟 3 勺 c o t o p a r t i c l e sv o l u m ef r a c t i o n e a s t m a nc u o o k a n gs i 0 2 k a n ga g vl e e a l 2 0 3 l ic u ( 1 0 0 n m ) l ic u ( 2 0 n m ) m a s u d a a 1 2 0 3 qm u r s h e dt i 0 2 ( 15 n m ) m u r s h e d t i 0 2 ( 15 n m ) w a n gc u o - i - x i ea 1 2 0 3 米x u a nc u 图1 7 以水为基础液体的纳米流体的导热系数的测量结果【4 】 f i g 1 7s u m m a r y o fe x p e r i m e n t a lr e s