本文關(guān)鍵詞：氨水納米溶液降膜發(fā)生過程熱質(zhì)傳遞特性研究

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【摘要】：納米流體作為21世紀(jì)新一代傳熱冷卻工質(zhì),在強化對流傳熱和沸騰傳熱方面亦蘊藏著巨大潛能。近年來,以天然制冷劑氨為工質(zhì)的氨水吸收式制冷在替代對環(huán)境和臭氧層有污染或破壞作用的部分氟利昂制冷系統(tǒng)過程中,氨水納米流體的相關(guān)研究顯示出其勃勃生機。本文將納米顆粒應(yīng)用于氨水發(fā)生過程,通過實驗研究和理論模擬,以期闡明納米顆粒影響氨水溶液降膜發(fā)生過程熱質(zhì)傳遞的機理,揭示氨水納米溶液在降膜發(fā)生過程中汽-液-固組分間的熱質(zhì)傳遞變化規(guī)律,進而為提高氨水吸收式制冷循環(huán)性能系數(shù)、促進發(fā)生設(shè)備小型化以及開發(fā)新型高效氨水吸收式制冷設(shè)備提供新的思路。本文所做工作主要包含以下幾個方面：1)高溫高濃度氨水納米溶液的制備與穩(wěn)定特性研究。通過對20種納米粒子和10種表面活性劑在氨水中分散性實驗結(jié)果分析,得到了適宜于高溫工況下進行氨水納米溶液配對的納米種類及與納米配對的表面活性劑。定義高溫工況下相對比吸光度分散穩(wěn)定性評價指標(biāo),并用沉降觀測法和吸光度測試方法對實驗結(jié)果進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)比吸光度方法可以用來評價不同類別納米流體的分散穩(wěn)定性。根據(jù)高溫與常溫下氨水納米流體穩(wěn)定性實驗對比結(jié)果,發(fā)現(xiàn)沸騰過后納米流體的分散穩(wěn)定性均出現(xiàn)不同程度的下降。研究發(fā)現(xiàn)分散劑類型、結(jié)構(gòu)、納米顆粒的理化特性以及氨水溶液的pH值等諸多因素都對氨水納米溶液的穩(wěn)定性起到重要作用。通過表面活性劑與納米顆粒作用機理及穩(wěn)定性實驗結(jié)果分析,確定了分散劑與納米顆粒在氨水納米溶液配備中的選用準(zhǔn)則及其用量。最后通過陰陽離子表面活性劑復(fù)配氨水納米溶液的穩(wěn)定性。試驗表明,陰陽離子表面活性劑在適當(dāng)復(fù)配比例下,能夠有效地改善氨水納米溶液的分散穩(wěn)定性。2)氨水納米流體的物性研究。查閱和對比大量有關(guān)氨水物性文獻,得出了可便于工程實際應(yīng)用的氨水物性計算方程以及(p,T,ξ)狀態(tài)方程。針對6種納米以及與之良好配比的5種表面活性劑組成的穩(wěn)定分散的氨水納米溶液進行了導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和表面張力測量,結(jié)合納米流體物性研究成果得出能用于氨水納米降膜發(fā)生過程中的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和擴散系數(shù)等物性計算方程,為后續(xù)進行氨水發(fā)生實驗測試和理論模擬打下基礎(chǔ)。研究了陰陽離子表面活性劑復(fù)配氨水納米溶液的表面張力特性,試驗表明陰陽離子表面活性劑在適當(dāng)復(fù)配比例下,能夠有效地降低溶液表面張力,為探究低表面張力納米流體提供了有益參考。3)氨水納米流體降膜發(fā)生實驗研究。設(shè)計搭建氨水納米溶液降膜發(fā)生過程試驗臺,選取分散穩(wěn)定性良好的炭黑CB、鐵酸鋅ZnFe2O4、碳化硅SiC、氮化鈦TiN和三氧化二鐵Fe203作為測試氨水納米溶液,進行了一系列有、無納米工況的氨水發(fā)生對比實驗。研究結(jié)果表明：Fe203和ZnFe2O4氨水納米溶液的發(fā)生速率和有效發(fā)生比相對較高,發(fā)生性能效果最好,有效發(fā)生比約為1.70。但Fe203會與碳鋼材質(zhì)發(fā)生磁性吸附,因此不推薦在氨水系統(tǒng)使用。CB、TiN、SiC納米溶液的強化發(fā)生效果依次遞減。添加合適份數(shù)的納米與分散劑配制的氨水納米流體可以增加氨氣發(fā)生率,但氨氣發(fā)生率增加并非隨著納米份數(shù)的增加持續(xù)增加,而是存在個最佳點。分散劑對氨氣發(fā)生具有一定的抑制作用。選擇分散劑需兼顧考慮分散穩(wěn)定性和對發(fā)生起促進或抑制作用,以達到最優(yōu)效果。結(jié)合氨水納米溶液降膜發(fā)生過程試驗結(jié)果,以及前人關(guān)于納米顆粒強化傳熱傳質(zhì)方面的研究,從納米粒子的微運動、界面效應(yīng)、Marangoni效應(yīng)與Rayleigh-Benard效應(yīng)、場協(xié)同理論、納米流體物性以及發(fā)生過程宏觀壓差推動力等方面分別對納米強化氨水發(fā)生過程的機理進行理論分析,更加翔實地證明納米流體的粒子微運動和納米流體的物性是納米流體強化氨水降膜發(fā)生的主要因素。4)納米流體氨水降膜發(fā)生的數(shù)值模擬研究�？紤]納米溶液物性的影響、流動參數(shù)的改變以及膜厚的變化,提出了氨水納米溶液單管垂直降膜發(fā)生熱質(zhì)耦合過程的數(shù)學(xué)模型。采用有限差分法進行氨水降膜發(fā)生過程控制方程的離散,通過計算編程求解得到了垂直管外降膜的氨水納米溶液或氨水基液在不同工況參數(shù)下的速度場、溫度場、濃度場、液膜厚度、界面質(zhì)量流率及熱量流率分布等無法用實驗測得的過程模擬量。模擬結(jié)果表明：①沿管長方向上,軸向平均速度和膜厚均呈遞減趨勢,而主體溫度、壁面處溫度、界面溫度和平均液膜溫度逐漸增大；在沿膜厚方向上,液膜主體溫度分布呈遞減趨勢；在軸向方向和膜厚方向上,液膜的氨組分主體濃度分布都呈現(xiàn)一定程度的遞減趨勢；但沿管長方向上,溶液在壁面處和界面上的濃度以及平均液膜濃度都呈減小趨勢,其中溶液的界面濃度變化最大；并且發(fā)現(xiàn),氣液界面處的熱量和質(zhì)量傳遞中擴散項起主要決定作用。②進口流量、進口濃度、熱流密度、壓力等因素影響氨水及氨水納米溶液降膜發(fā)生傳熱傳質(zhì)。其中進口流量、熱流密度對降膜發(fā)生傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響較為顯著。③導(dǎo)熱系數(shù)、粘度以及其擴散性能因納米顆粒的加入對氨水溶液發(fā)生過程的發(fā)生速率、傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)影響程度各有不同。導(dǎo)熱系數(shù)和擴散系數(shù)對三者有著積極的影響,而粘度對三者有著負(fù)面的影響。從對傳熱系數(shù)影響看,添加納米后因?qū)嵯禂?shù)的增加而產(chǎn)生的影響大于擴散系數(shù)增加引起的影響；而從對發(fā)生速率和傳質(zhì)系數(shù)影響看,反而由擴散系數(shù)的增加引起的變化大于導(dǎo)熱系數(shù)增加引起的變化。
【關(guān)鍵詞】：氨水 納米顆粒 吸收式制冷 降膜發(fā)生 熱質(zhì)傳遞
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB65;TK124
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 主要符號表12-15
• 第一章 緒論15-30
• 1.1 研究背景與意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究進展17-26
• 1.2.1 納米流體17-21
• 1.2.2 納米流體沸騰研究現(xiàn)狀21-25
• 1.2.3 納米流體的對流換熱實驗研究25-26
• 1.2.4 管外降膜蒸發(fā)研究現(xiàn)狀26
• 1.3 納米流體應(yīng)用于氨水吸收式制冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀26-28
• 1.4 本文研究目標(biāo)和研究內(nèi)容28-30
• 第二章 適合于高溫環(huán)境的納米流體制備及分散穩(wěn)定性研究30-51
• 2.1 納米流體的穩(wěn)定機理及分散方法30-32
• 2.1.1 納米流體的穩(wěn)定機理30-31
• 2.1.2 納米流體的分散方法31-32
• 2.2 高濃度氨水納米流體配制32-37
• 2.2.1 高濃度氨水納米流體配制方法的選取32-33
• 2.2.2 納米顆粒種類及分散劑的選取原則33-36
• 2.2.3 納米流體制備所需儀器36
• 2.2.4 低濃度氨水納米流體配置的具體步驟36-37
• 2.2.5 高濃度氨水納米流體配置系統(tǒng)37
• 2.3 高溫氨水納米流體穩(wěn)定性研究37-47
• 2.3.1 穩(wěn)定性評價方法的選取37-38
• 2.3.2 氨水納米溶液的制備方法38-40
• 2.3.3 納米顆粒及分散劑初步確定40-42
• 2.3.4 納米流體穩(wěn)定性的實驗研究42-47
• 2.4 陰陽離子表面活性劑復(fù)配氨水納米溶液的穩(wěn)定性研究47-49
• 2.5 本章小結(jié)49-51
• 第三章 氨水納米流體物性研究51-70
• 3.1 氨水物性參數(shù)方程51-52
• 3.2 粘度52-58
• 3.2.1 氨水溶液的粘度計算方程52
• 3.2.2 納米流體粘度模型52-53
• 3.2.3 氨水納米流體粘度實驗53-55
• 3.2.4 實驗結(jié)果及結(jié)論55-58
• 3.3 導(dǎo)熱系數(shù)58-62
• 3.3.1 氨水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)計算方程58
• 3.3.2 納米流體導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)典模型58
• 3.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)測試方法58-61
• 3.3.4 氨水納米流體導(dǎo)熱系數(shù)實驗結(jié)果分析61-62
• 3.4 擴散系數(shù)62-64
• 3.4.1 氨水溶液中氨的擴散系數(shù)62
• 3.4.2 氨水納米溶液中氨的擴散系數(shù)62-64
• 3.4.3 氨水納米擴散研究結(jié)果64
• 3.5 表面張力64-67
• 3.5.1 氨水溶液的表面張力65
• 3.5.2 表面張力儀測試原理65-66
• 3.5.3 陰陽離子表面活性劑復(fù)配氨水納米溶液的表面張力研究66-67
• 3.6 比定壓熱容67-68
• 3.7 汽化潛熱68
• 3.8 密度68-69
• 3.9 泡點溫度69
• 3.10 本章小結(jié)69-70
• 第四章 氨水納米降膜發(fā)生實驗裝置設(shè)計與實驗方法70-90
• 4.1 高濃度氨水溶液鼓泡吸收系統(tǒng)70-71
• 4.2 高濃度氨水納米溶液混合系統(tǒng)71-73
• 4.3 氨水降膜發(fā)生實驗裝置73-82
• 4.3.1 方案擬定與設(shè)計方式、設(shè)計參數(shù)選擇73-74
• 4.3.2 實驗裝置系統(tǒng)流程及結(jié)構(gòu)組成74-78
• 4.3.3 主要設(shè)備設(shè)計或選型78-81
• 4.3.4 實驗內(nèi)容和實驗方法81-82
• 4.4 降膜發(fā)生實驗性能評價因素82-87
• 4.4.1 發(fā)生率定義82-83
• 4.4.2 發(fā)生率83
• 4.4.3 有效發(fā)生比83
• 4.4.4 放氣范圍83
• 4.4.5 傳熱、傳質(zhì)及流動數(shù)據(jù)處理及分析計算83-87
• 4.5 實驗不確定度分析87-89
• 4.5.1 直接測量值的不確定度87-88
• 4.5.2 實驗結(jié)果合成不確定度88-89
• 4.6 本章小結(jié)89-90
• 第五章 氨水納米溶液降膜發(fā)生特性試驗研究90-107
• 5.1 試驗?zāi)康暮蛢?nèi)容90
• 5.1.1 試驗?zāi)康?/span>90
• 5.1.2 試驗內(nèi)容90
• 5.2 試驗材料及試驗工況90-91
• 5.3 試驗結(jié)果及分析91-97
• 5.3.1 不同類別納米流體降膜發(fā)生對比91
• 5.3.2 活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對氨水降膜發(fā)生的影響91-92
• 5.3.3 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響92-93
• 5.3.4 熱源溫度(加熱水)的影響93-94
• 5.3.5 氨水基液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響94
• 5.3.6 發(fā)生壓力的影響94-95
• 5.3.7 發(fā)生前后納米氨水溶液穩(wěn)定性對比95-97
• 5.4 納米顆粒強化氨水降膜發(fā)生過程的機理初步分析97-105
• 5.4.1 納米粒子的微運動97-98
• 5.4.2 降膜發(fā)生過程的界面效應(yīng)98-99
• 5.4.3 Marangoni效應(yīng)和Rayleigh-Benard效應(yīng)99-100
• 5.4.4 基于場協(xié)同理論對納米強化發(fā)生的分析100-104
• 5.4.5 納米物性的影響104
• 5.4.6 宏觀壓差推動力104-105
• 5.5 本章小結(jié)105-107
• 第六章 氨水納米溶液降膜發(fā)生傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬研究107-134
• 6.1 氨水納米溶液降膜發(fā)生的物理模型107-108
• 6.2 氨水納米溶液降膜發(fā)生過程數(shù)學(xué)模型108-116
• 6.2.1 建模過程的基本假設(shè)108-109
• 6.2.2 控制方程組的推導(dǎo)109-111
• 6.2.3 邊界條件111
• 6.2.4 液膜速度和膜厚111-113
• 6.2.5 控制方程組的離散化113-115
• 6.2.6 離散方程組的求解流程115-116
• 6.3 氨水降膜發(fā)生模型的數(shù)值計算結(jié)果116-131
• 6.3.1 氨水液膜濃度場、溫度場和速度場分布116-120
• 6.3.2 工況參數(shù)對氨水發(fā)生速率的影響120-126
• 6.3.3 納米流體物性參數(shù)對氨水發(fā)生速率的影響126-131
• 6.4 模擬結(jié)果與實驗值誤差分析131-132
• 6.5 本章小結(jié)132-134
• 第七章 研究總結(jié)與展望134-137
• 7.1 全文工作總結(jié)134-135
• 7.2 主要創(chuàng)新點135-136
• 7.3 研究展望136-137
• 參考文獻137-146
• 作者在攻讀博士期間發(fā)表的論文及其他成果146-148
• 致謝148

，

本文編號：908945