【摘要】：納米流體是指將粒徑為10~100nm的納米尺度固體粒子均勻穩(wěn)定地分散于流體中所形成的固液兩相混合流體。納米粒子的加入可以顯著改變流體的粘度、導熱系數(shù)、傳熱傳質系數(shù)等基礎特性參數(shù),被廣泛應用于高效熱交換系統(tǒng)、光熱轉換、相變蓄冷、減摩潤滑及溫控印刷等領域。在燃燒領域,納米粒子的高催化特性以及較強的儲氧能力能夠促進發(fā)動機的燃燒、降低污染物的生成。本文選用具有較高導熱率、儲氧能力以及催化性能的20nm和50nm的CNT、CeO_2以及Co_3O_4納米粒子,以十六烷基三甲基溴化銨作為活性劑,采用兩步法,分別配制濃度為50mg/L、100mg/L和150mg/L的納米燃油。探究納米粒子種類、粒徑及濃度對納米燃油物化特性和懸浮液滴蒸發(fā)特性的影響,以及納米粒子與液體燃料在熱力學過程中相互作用的一般規(guī)律,為納米燃油清潔高效燃燒提供基礎數(shù)據(jù)。全文主要工作如下:(1)采用恒溫熱重法研究納米燃油的熱動力學特性。基于Arrhenius方程、Langmuir和Antoine方程、Clausius-Clapeyron方程計算納米燃油蒸發(fā)過程的活化能、蒸氣壓和蒸發(fā)焓。納米粒子具有很大的比表面積,需要較多的能量使吸附于粒子表面的燃油分子脫離,因此納米燃油蒸發(fā)需要更大的活化能,且隨著納米粒子質量分數(shù)的增加而增大。此外,在燃油蒸發(fā)過程中,納米粒子的加入降低了基液的比熱容,會加快液滴表面吸收的熱量向液滴中心傳遞,延緩了液滴表面燃油的揮發(fā),阻滯了液相分子的擴散,因而降低納米燃油的蒸氣壓,其中濃度為50mg/L的20nmCeO_2納米燃油較C14降低了6.71%。由于燃油分子與納米粒子之間的范德華力及氫鍵作用,納米燃油蒸發(fā)所需的蒸發(fā)焓升高,濃度為150mg/L的20nmCeO_2納米燃油較基液增大了13.87%。(2)采用懸滴法測量并分析納米燃油的表面張力。在100~140℃溫度范圍內,探究納米粒子物質種類、粒徑、質量分數(shù)以及環(huán)境溫度對柴油表面張力的影響。研究發(fā)現(xiàn),由于納米粒子之間的吸引力使基液分子之間形成內聚力,增大基液表面自由能,因此增加了基液的表面張力,且隨著納米粒子質量分數(shù)增大以及粒徑增大而增大;當溫度升高時,液體分子的動能增大,分子運動加快,減小了分子間作用力,相互吸引力減弱,液體分子內聚能減小,因此基液燃油以及納米燃油的表面張力隨溫度的升高而降低,且與溫度呈線性關系;不同納米粒子對燃油的表面張力影響也不同,相比于CeO_2以及Co_3O_4納米粒子,CNT的體積密度較小,相同質量分數(shù)下納米粒子數(shù)目較多,因此CNT納米燃油表面張力較CeO_2以及Co_3O_4納米燃油增加較大。(3)采用懸浮液滴蒸發(fā)裝置研究納米燃油的蒸發(fā)特性。探究納米燃油液滴的蒸發(fā)變形行為,以及納米粒子種類、粒徑、濃度和溫度對基礎燃油蒸發(fā)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),基液和納米燃油液滴蒸發(fā)遵循D~2定律。溫度較低時,納米燃油的表面張力較大,納米粒子的加入延緩了燃油液滴的蒸發(fā),隨著溫度的升高,納米燃油的表面張力降低,導熱性較基液逐漸升高,因此液滴蒸發(fā)時間縮短。在100℃下,濃度為50mg/L的20nmCNT納米燃油的蒸發(fā)速率較基液蒸發(fā)速率降低了1.12%;而180℃時,納米燃油的蒸發(fā)速率增加了0.39%。同一濃度的納米燃油,蒸發(fā)速率隨納米粒子粒徑的增大而減小。此外,由于不同物質種類的納米粒子具有不同的密度、極性和導熱率等理化屬性,對應的納米燃油亦表現(xiàn)出不同的蒸發(fā)速率,其中CNT納米燃油的蒸發(fā)速率最大,CeO_2以及Co_3O_4納米燃油較小。本文研究了納米燃油蒸氣壓、蒸發(fā)焓、蒸發(fā)過程活化能和表面張力等熱力學參數(shù),分析了納米粒子對燃油液滴蒸發(fā)過程形態(tài)變化和蒸發(fā)速率的影響機理,為優(yōu)化納米燃油的霧化燃燒提供了重要的基礎數(shù)據(jù)。
【圖文】：

其他研究發(fā)現(xiàn)，在去離子水中加入 CNT 以及 ZnO 納米粒子了 7%[48]。然而，Sohel 等[49]采用表面張力儀在常溫下測量 T2的加入降低了去離子水的表面張力，并且表面張力幾乎隨faei 等[50]測量了碲化鉍（Bi2Te3）-水納米流體的表面張力，米粒子質量分數(shù)的增大而減小，但是當其減小到一定程度時而增大。以上研究可以看出，由于試驗條件及研究方法的差的研究還沒有得到一致的結論。（a）毛細管上升法 （b）圓環(huán)法

金屬 Ag、Au、Cu、Pd 等金屬氧化物 TiO2、ZnO、CeO2、Al2O3等金屬氮化物 AlN、SiN 等金屬硫化物 ZnS、CuS、FeS、Ag 等非金屬 碳納米管、氧化石墨烯、富勒烯等聚合物 羥甲基纖維素、海藻酸鈉等是 Iijima 等[68]在 1991 年通過放電碳電極發(fā)現(xiàn)的一種特別實用的電阻和極好的柔韌性，尤其具有極好的導電性和導熱性。碳ingle-Walled Nanotube，SWCNT）和多壁納米管（Multi-Wal種類型。碳納米管是碳的同素異形體，，具有圓柱形納米結構，表 2.2 所示。從表可以看出，碳納米管具有很高的熱傳導系數(shù)冷卻領域得到了廣泛的應用。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TQ517

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本文編號：2635436