婁江峰,張華,王瑞祥
(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093;2 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100043)
納米冷凍機(jī)油是將納米粒子按一定的工藝分散到冷凍機(jī)油中制成的一種納米流體。將特定的納米冷凍機(jī)油應(yīng)用到制冷系統(tǒng)中,可提高家用冰箱[1]、家用空調(diào)[2]的能效和制冷量,減小制冷系統(tǒng)的不可逆損失[3]以及提高蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的性能系 數(shù)[4]。納米粒子的添加,有助于降低冷凍機(jī)油的摩擦系數(shù)[5],從而減少壓縮機(jī)的摩擦耗功,同時(shí)可強(qiáng)化冷凍機(jī)油/制冷劑混合物的沸騰換熱特性[6-7],改善制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的性能。然而,納米粒子的種類、粒徑和含量對(duì)納米冷凍機(jī)油的熱物理特性的影響 是分析納米粒子作用效果的基礎(chǔ),需要進(jìn)行深入的 研究。
目前,關(guān)于納米冷凍機(jī)油熱物理特性的研究主要集中在密度、黏度和摩擦系數(shù)等方面[8-9]。當(dāng)制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),冷凍機(jī)油會(huì)隨著制冷劑一起循環(huán)并一直處于液相,納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率(λ1)是分析其對(duì)制冷系統(tǒng)各部件傳熱性能影響的基礎(chǔ)參數(shù),可作為優(yōu)選納米冷凍機(jī)油的參考。此外, 納米冷凍機(jī)油的分散穩(wěn)定性,也會(huì)影響納米粒子的作用效果。本文選取了傳熱和摩擦領(lǐng)域常作為添加劑的納米材料TiO2、Al2O3、Fe2O3、石墨和碳納米管(CNT)作為分散體,以環(huán)烷基冷凍機(jī)油SUNISO 3GS 為基液,配制了穩(wěn)定性良好的納米冷凍機(jī)油。并測(cè)試了各個(gè)樣品的熱導(dǎo)率(λn1),分析不同的納米粒子、粒徑、顆粒形態(tài)和濃度對(duì)納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率的影響,開發(fā)相應(yīng)的熱導(dǎo)率預(yù)測(cè)模型,為基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
納米冷凍機(jī)油的制備采用兩步法。首先將一定量的納米粒子和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末加入冷凍機(jī)油中,在50℃下磁力攪拌30min,然后采用超聲清洗器(KQ3200DE,工況為50℃、40kHz 和150W)超聲振蕩2h,最后采用高壓均質(zhì)機(jī)APV2000均質(zhì)處理,均質(zhì)壓力100MPa,即得納米冷凍機(jī)油。
PVP 是一種非晶高聚物,具有較強(qiáng)的絡(luò)合性和表面活性,能與納米粒子表面發(fā)生反應(yīng)形成絡(luò)合物,從而有效地改善納米粒子的界面性質(zhì),使其具有親油性。當(dāng)PVP 和納米粒子的質(zhì)量比為1∶1 時(shí),納米冷凍機(jī)油的穩(wěn)定分散效果最佳[10]。本文配制了含納米粒子(TiO2、Al2O3、Fe2O3、石墨和CNT)的體積分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1%和2%的納米冷凍機(jī)油,其中納米粒子和PVP 質(zhì)量之比為1∶1。表1 列出了實(shí)驗(yàn)用材料的具體參數(shù)。
表1 實(shí)驗(yàn)材料的技術(shù)指標(biāo)
能夠穩(wěn)定分散是納米冷凍機(jī)油應(yīng)用的前提,本文采用紫外-可見光分光度計(jì)法對(duì)制備的納米冷凍機(jī)油進(jìn)行表征,所用儀器為Shimadzu UV2600。圖1 顯示了體積分?jǐn)?shù)為0.1%的納米冷凍機(jī)油制備后24h 的吸收光譜變化趨勢(shì)。由圖1 可知,由于納米粒子本身顏色的不同,在相同的體積分?jǐn)?shù)下納米冷凍機(jī)油的吸光度曲線有所差異,而最大吸收峰均位于410nm 附近,則說明5 種納米粒子的添加未改變冷凍機(jī)油本身的化學(xué)特性。比較制備24h 前后納米冷凍機(jī)油的吸收光譜曲線,發(fā)現(xiàn)添加納米TiO2、Al2O3、Fe2O3、石墨的冷凍機(jī)油穩(wěn)定性優(yōu)異,添加CNT 的冷凍機(jī)油在靜置24h 后吸光度下降,CNT略有沉淀。而本文中所有納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率的測(cè)量均在制備完成后2h 內(nèi)進(jìn)行,因此忽略了納米粒子的沉淀帶來的影響。
熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)包括熱常數(shù)分析儀(Hot Disk TPS-2500S 型,測(cè)量范圍為0.005~500W/mK,測(cè)量準(zhǔn)確度為±3%)和恒溫水浴(SHP-CH1015,溫度控制范圍為20~100℃,溫度波動(dòng)為±0.05℃),測(cè)試系統(tǒng)示意圖及探頭實(shí)物如圖2 所示。Hot Disk 熱常數(shù)分析儀采用瞬間平面熱源法測(cè)量流體的熱導(dǎo)率。主要是采用一種瞬間熱平面探頭(7577 型,探頭半徑2.001mm),放置在樣品中間,通電加熱后測(cè)試探頭表面的溫升,然后通過Hot Disk 熱導(dǎo)率分析軟件計(jì)算樣品的熱導(dǎo)率。測(cè)試過程中,首先將測(cè)試探頭固定于不銹鋼模塊中(模塊中為一密封的圓形儲(chǔ)液池),將模塊置于恒溫槽中平衡溫度30min,然后采用多次測(cè)量取平均值得方法得到納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率(單次通電20s,加熱功率5mW,中間間隔10min)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了常壓下溫度為40℃時(shí),含納米粒子(TiO2、Al2O3、Fe2O3、石墨和CNT)的體積分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.5%、1%和2%的納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率。
圖1 0.1%納米冷凍機(jī)油的UV-Vis 光譜圖
圖2 熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)示意圖
圖3 顯示了PVP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)冷凍機(jī)油以及特定的兩組納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率的影響。由圖3 可知,添加PVP 后冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率降低,且隨著PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。由于PVP 為高聚物,其分子中烷基鏈長(zhǎng)度明顯大于冷凍機(jī)油,而表面活性劑的烷基鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)會(huì)引起基液熱導(dǎo)率的降低[11]。而在0.5%的納米石墨和CNT 冷凍機(jī)油中添加PVP后,熱導(dǎo)率顯示先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)兩組納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率達(dá)到最大值, 而納米流體的穩(wěn)定性與其熱導(dǎo)率關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)[12],這進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)PVP 與納米粒子質(zhì)量比約為1∶1時(shí)穩(wěn)定性最佳。
圖3 PVP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)(納米)冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率的影響
圖4 納米粒子的體積分?jǐn)?shù)對(duì)冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率的影響
圖4 顯示了5 種含納米粒子的納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率隨顆粒體積分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì),其中納米粒子與PVP 質(zhì)量之比為1∶1。由圖4 可知,納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率隨著納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,這一趨勢(shì)與以去離子水[13]和丙三醇[14]為基液的納米流體基本相似。當(dāng)納米粒子的體積分?jǐn)?shù)提高時(shí),基液中納米粒子會(huì)發(fā)生碰撞和團(tuán)聚,進(jìn)而形成含有多個(gè)納米粒子和流體或表面活性劑分子吸附層的團(tuán)聚體。這些團(tuán)聚體會(huì)形成高熱導(dǎo)率的通道,同時(shí)納米粒子與液體的微對(duì)流,均能引起基液的熱導(dǎo)率 增大。
在相同的體積分?jǐn)?shù)下,納米粒子的粒徑越小,納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率越大。實(shí)驗(yàn)中添加納米TiO2(10nm)的納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率最高,主要是由于納米粒子越小,其比表面積越大,有利于熱量在液體與納米粒子表面之間傳遞。同時(shí),納米粒子在基液中的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)是影響納米流體熱導(dǎo)率的重要因素[15],顆粒的粒徑越小,其在冷凍機(jī)油中布朗運(yùn)行就越劇烈,有利于熱導(dǎo)率的提高。此外,納米粒子的熱導(dǎo)率也會(huì)影響納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)用 Al2O3、Fe2O3和石墨納米材料粒徑相同,在相同的體積分?jǐn)?shù)下,納米Al2O3冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率最高,納米石墨其次,納米Fe2O3最低。這主要是金屬氧化物材質(zhì)的熱導(dǎo)率大于石墨的熱導(dǎo)率。相對(duì)于其他納米材料,碳納米管最大[k=800W/(m·K)],而添加后納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率并非最高。結(jié)合圖1 可知,碳納米管在冷凍機(jī)油中不易穩(wěn)定,而納米流體的分散穩(wěn)定性會(huì)影響其內(nèi)部的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和分布情況,進(jìn)而影響其熱導(dǎo)率。此外,碳納米管的體積較大,不易在冷凍機(jī)油內(nèi)形成布朗運(yùn)行而引起微對(duì)流。
納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率受到納米粒子的尺寸,體積分?jǐn)?shù)和熱導(dǎo)率的影響,同時(shí)還受到冷凍機(jī)油性質(zhì)的影響?;贛axwell 模型和團(tuán)聚理論,同時(shí)考慮納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng),提出納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率模型,如式(1)所示。
式中,kstatic為納米冷凍機(jī)油基于團(tuán)聚理論[16]的靜態(tài)熱導(dǎo)率,如式(2)所示;kbrownian為納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的熱導(dǎo)率[15],可由式(3)得出。
式中,kl為冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率;kn為納米粒子材質(zhì)的熱導(dǎo)率;φn為納米粒子的體積分?jǐn)?shù);A 為團(tuán)聚系數(shù),如式(4)所示;β 為顆粒與流體之間的微對(duì)流影響系數(shù),與納米粒子的體積分?jǐn)?shù)有關(guān),結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到β=0.0058e-47.62φn;cl為冷凍機(jī)油的比熱容(cl=2000J/(kg·K);κ 為玻爾茲曼常數(shù)(κ=1.3806505× 10-23J/K);ρn為納米粒子的密度。
式中,M 為冷凍機(jī)油的相對(duì)分子質(zhì)量(環(huán)烷基原油為386);ρl為冷凍機(jī)油的密度(40℃下880.3 kg/m3);NA為 Avogadro 常 數(shù)(NA=6.023× 1023mol-1);D 為納米粒子的粒徑。
圖5 對(duì)比了納米冷凍機(jī)油的實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值,90%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值偏差在±3%以內(nèi),平均偏差1.6%。因此認(rèn)為該模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率。
以PVP 為分散劑,采用兩步法制備了5 種不同體積分?jǐn)?shù)的納米冷凍機(jī)油,并對(duì)其分散穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量與分析,得到結(jié)論如下。
(1)表面活性劑PVP 對(duì)納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率影響較大,在PVP 與納米粒子的質(zhì)量比為1∶1時(shí),納米粒子分散穩(wěn)定性最佳,納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率達(dá)最大。
(2)納米冷凍機(jī)油的熱導(dǎo)率隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高而增大,相同體積分?jǐn)?shù)下隨著顆粒粒徑的增大而減小,而相同粒徑下又隨著顆粒材質(zhì)的熱導(dǎo)率的提高而增大。
圖5 納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值的對(duì)比
(3)基于納米粒子的體積分?jǐn)?shù)、粒徑、團(tuán)聚理論和布朗運(yùn)動(dòng)開發(fā)了納米冷凍機(jī)油熱導(dǎo)率預(yù)測(cè)模型,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與90%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±3%以內(nèi),平均偏差1.6%。
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