【摘要】：納米制冷劑具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)制冷工質(zhì)的傳熱性能,因而被視為未來提高制冷系統(tǒng)能效的技術(shù)方向之一,并成為近年來的研究熱點。應(yīng)用納米制冷劑提高制冷系統(tǒng)的能效,目前仍未解決且迫切需要關(guān)心的是納米制冷劑的穩(wěn)定性問題以及納米制冷劑所形成的顆粒沉積層的潤濕特性;而研究納米制冷劑穩(wěn)定性的關(guān)鍵是要了解納米顆粒的幾種行為機制,包括團聚行為、相間遷移行為以及再懸浮行為。鑒于其有別于已有研究對象與工作狀態(tài)的復(fù)雜性,本文針對上述問題開展了以下實驗與理論研究:1)對含油納米制冷劑在交替相變下的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量評估。研究表明,相比于無相變靜置工況,含油納米制冷劑在交替相變工況下的穩(wěn)定性更差。此外,降低沸騰端加熱溫度或冷凝端冷卻溫度、提高油濃度或降低顆粒濃度可改善含油納米制冷劑的穩(wěn)定性。2)為研究納米顆粒的團聚行為,采用動態(tài)光散射技術(shù)對納米制冷劑中的顆粒團聚體的尺寸進(jìn)行了動態(tài)測量,并建立了用于預(yù)測顆粒尺寸的顆粒團聚模型。在研究中發(fā)現(xiàn),基于傳統(tǒng)DLVO理論的團聚模型雖能較好的預(yù)測無油納米制冷劑中顆粒尺寸的變化,但難以反映潤滑油的影響。本文提出潤滑油和制冷劑對顆粒表面親和性的不同導(dǎo)致了這兩種不同的液體分子在顆粒表面上的競爭吸附,使得顆粒表面吸附層的組分與液體中的組分不同,繼而影響顆粒間的相互作用力。因此,新的團聚模型包含了吸附層子模型,用于計算吸附層的組分和厚度,并與DLVO理論結(jié)合計算顆粒間相互作用力。結(jié)果顯示,新的團聚模型較好的反映了潤滑油對顆粒尺寸變化的影響,其預(yù)測結(jié)果與92%實驗數(shù)據(jù)的誤差在±10%以內(nèi)。3)為研究納米顆粒的相間遷移行為,搭建了納米制冷劑的沸騰遷移實驗裝置,測量了沸騰后納米顆粒經(jīng)由各個途徑發(fā)生相間遷移的比例。研究發(fā)現(xiàn),在含油納米制冷劑沸騰過程中,納米顆粒不僅可以遷移至氣相(即“氣相遷移”),還可以遷移至加熱表面附近的富油層,最終在制冷劑全部蒸干后遷移至潤滑油,即“油相遷移”。在常見應(yīng)用工況下,納米顆粒的油相遷移率均大于氣相遷移率,且兩者之間的差值隨著油濃度的增大而不斷擴大,說明油相遷移是含油納米制冷劑沸騰時納米顆粒相間遷移的主要途徑。經(jīng)分析,本文認(rèn)為富油層中納米顆粒的團聚沉降以及在微液層中的沉積是導(dǎo)致油相遷移率低的主要原因。基于此,本文使用表面改性技術(shù)在TiO_2納米顆粒表面嫁接碳鏈,通過抑制其在制冷劑/礦物油沸騰時富油層中的團聚,最終大大提升了其油相遷移率。4)為研究沉積顆粒的再懸浮行為,設(shè)計并搭建了可視化池沸騰實驗臺,首次觀測到了沸騰過程中沉積顆粒的再懸浮過程,并定量分析了沸騰持續(xù)時間、熱流密度和顆粒沉積密度對顆粒再懸浮率的影響。結(jié)果表明,熱流密度是影響顆粒再懸浮率的因素,熱流密度越大,再懸浮率越大。顆粒沉積密度對再懸浮率的影響與熱流密度有關(guān):在小熱流密度下,再懸浮率隨沉積密度的增大而減小;在中等熱流密度下,再懸浮率隨沉積密度的增大而先增大后減小;在大熱流密度下,再懸浮率隨沉積密度的增大而增大。經(jīng)分析,顆粒沉積層的疏松多孔結(jié)構(gòu)對沉積顆粒的再懸浮起了關(guān)鍵性作用,氣泡生成時沉積層孔隙中液體對顆粒的沖擊以及氣泡脫離時所引起的液體擾動是沉積顆粒再懸浮發(fā)生的主要機制�；诖�,本文建立了數(shù)學(xué)模型,該模型較好的描述了熱流密度和顆粒沉積密度對再懸浮率的影響。5)采用可視化實驗和圖像處理技術(shù)純制冷劑與含油制冷劑在普通粗糙表面、納米顆粒沉積表面、多級微納結(jié)構(gòu)表面以及氟化多級微納結(jié)構(gòu)表面的潤濕行為進(jìn)行了定量研究,分析了油濃度、表面粗糙度、粗糙結(jié)構(gòu)特征、表面化學(xué)性質(zhì)等因素對接觸線移動速度、接觸角、毛細(xì)上升高度等潤濕特征參數(shù)的影響,并分析了含油制冷劑在不同表面上的潤濕機制。首次發(fā)現(xiàn)了含油制冷劑在潤濕過程中由于Marangoni效應(yīng)造成的“液膜爬壁”現(xiàn)象,這導(dǎo)致含油制冷劑的表面潤濕性顯著高于純制冷劑。此外,納米顆粒沉積表面、多級微納結(jié)構(gòu)表面與普通粗糙結(jié)構(gòu)表面的潤濕行為類似,其對于含油制冷劑的潤濕性正相關(guān)于表面粗糙度。但氟化多級微納結(jié)構(gòu)表面并未出現(xiàn)“液膜爬壁”現(xiàn)象,這主要是由其親制冷劑、疏油的特性造成的。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB64

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2593555