【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(lái)提高制冷系統(tǒng)能效的技術(shù)方向之一,并成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。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(wèn)題以及納米制冷劑所形成的顆粒沉積層的潤(rùn)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(jī)制,包括團(tuán)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(duì)象與工作狀態(tài)的復(fù)雜性,本文針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了以下實(shí)驗(yàn)與理論研究:1)對(duì)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(píng)估。研究表明,相比于無(wú)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(tuán)聚行為,采用動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)對(duì)納米制冷劑中的顆粒團(tuán)聚體的尺寸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)量,并建立了用于預(yù)測(cè)顆粒尺寸的顆粒團(tuán)聚模型。在研究中發(fā)現(xiàn),基于傳統(tǒng)DLVO理論的團(tuán)聚模型雖能較好的預(yù)測(cè)無(wú)油納米制冷劑中顆粒尺寸的變化,但難以反映潤(rùn)滑油的影響。本文提出潤(rùn)滑油和制冷劑對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(tuán)聚模型包含了吸附層子模型,用于計(jì)算吸附層的組分和厚度,并與DLVO理論結(jié)合計(jì)算顆粒間相互作用力。結(jié)果顯示,新的團(tuán)聚模型較好的反映了潤(rùn)滑油對(duì)顆粒尺寸變化的影響,其預(yù)測(cè)結(jié)果與92%實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在±10%以?xún)?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(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)量了沸騰后納米顆粒經(jīng)由各個(gè)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(guò)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(rùn)滑油,即“油相遷移”。在常見(jiàn)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(kuò)大,說(shuō)明油相遷移是含油納米制冷劑沸騰時(shí)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(tuán)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�；诖�,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(guò)抑制其在制冷劑/礦物油沸騰時(shí)富油層中的團(tuán)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(jì)并搭建了可視化池沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái),首次觀測(cè)到了沸騰過(guò)程中沉積顆粒的再懸浮過(guò)程,并定量分析了沸騰持續(xù)時(shí)間、熱流密度和顆粒沉積密度對(duì)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(duì)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(duì)沉積顆粒的再懸浮起了關(guān)鍵性作用,氣泡生成時(shí)沉積層孔隙中液體對(duì)顆粒的沖擊以及氣泡脫離時(shí)所引起的液體擾動(dòng)是沉積顆粒再懸浮發(fā)生的主要機(jī)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(duì)再懸浮率的影響。5)采用可視化實(shí)驗(yàn)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(jí)微納結(jié)構(gòu)表面以及氟化多級(jí)微納結(jié)構(gòu)表面的潤(rùn)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(duì)接觸線(xiàn)移動(dòng)速度、接觸角、毛細(xì)上升高度等潤(rùn)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(rùn)濕機(jī)制。首次發(fā)現(xiàn)了含油制冷劑在潤(rùn)濕過(guò)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(rùn)濕性顯著高于純制冷劑。此外,納米顆粒沉積表面、多級(jí)微納結(jié)構(gòu)表面與普通粗糙結(jié)構(gòu)表面的潤(rùn)濕行為類(lèi)似,其對(duì)于含油制冷劑的潤(rùn)濕性正相關(guān)于表面粗糙度。但氟化多級(jí)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB64

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2593555