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氧化石墨烯納米流體的凝固特性及在聲懸浮下表面張力研究

來(lái)源:陳兵 瀏覽 660 次 發(fā)布時(shí)間:2022-11-04

冰蓄冷技術(shù)可以有效解決電網(wǎng)供應(yīng)中的“峰谷負(fù)荷”現(xiàn)象,提高能源的利用效率。納米流體能夠顯著改善冰蓄冷系統(tǒng)中的過(guò)冷現(xiàn)象及傳熱性能,得到廣大科研人員的青睞。為進(jìn)一步了解添加納米材料對(duì)基液凝固過(guò)程和熱物理性質(zhì)的影響。同時(shí),考慮到過(guò)冷流體易與容器壁面接觸而成核凝固,采用傳統(tǒng)接觸式測(cè)量過(guò)冷流體的表面張力難度大。本文通過(guò)冷凍實(shí)驗(yàn)對(duì)氧化石墨烯納米流體的凝固特性進(jìn)行研究,采用聲懸浮技術(shù)結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù),非接觸測(cè)量過(guò)冷狀態(tài)下氧化石墨烯納米流體的表面張力,主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:


(1)為制取穩(wěn)定性良好的納米流體,設(shè)計(jì)L_9(3~3)正交試驗(yàn)。采用超聲分散的方法制備了0.02 wt%、0.05 wt%和0.08 wt%氧化石墨烯納米流體,分析超聲振蕩功率和超聲分散時(shí)長(zhǎng)對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響。以Zeta電位為納米流體穩(wěn)定性的主要衡量標(biāo)準(zhǔn),確定出最佳制備方案。


(2)在-18.0℃的冷凍溫度下,對(duì)去離子水和0.02 wt%、0.05 wt%及0.08 wt%氧化石墨烯納米流體進(jìn)行冷凍實(shí)驗(yàn)。所測(cè)流體的過(guò)冷度分別為6.8℃、2.4℃、3.0℃和1.9℃,通過(guò)“經(jīng)典成核”理論驗(yàn)證添加氧化石墨烯納米材料具有促進(jìn)基液成核作用。同時(shí),基液中添加氧化石墨烯納米材料能夠提高蓄冷速率,納米流體冷卻凝固所需的時(shí)間相較于去離子水分別縮短了8.7%、20.6%和28.9%。


(3)推導(dǎo)出重力作用下,平面駐波場(chǎng)內(nèi)聲懸浮液滴所需的最小聲壓幅值為2553Pa。諧振腔內(nèi)空氣溫度在-10~20℃范圍內(nèi)變化,懸浮液滴所需的最小聲壓幅值的變化率為2.74%、所受的最大聲輻射力的變化率為30.98%。


(4)采用聲懸浮液滴振蕩法非接觸測(cè)量流體的表面張力。通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)獲取懸浮液滴的振蕩信息,確定液滴的振蕩模式為2;使用快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析,得到液滴的振蕩頻率;以10.0℃流體的表面張力為基準(zhǔn),確定液滴的形狀修正系數(shù)a,完成修正后Rayleigh方程中各待定參數(shù)的確定。


(5)測(cè)量-7.0~10.0℃去離子水的表面張力,測(cè)量結(jié)果與參考值的平均偏差在±0.37%以?xún)?nèi),相對(duì)偏差小于0.51%,驗(yàn)證了聲懸浮液滴振蕩法測(cè)量流體表面張力的可行性,并適用于過(guò)冷流體的表面張力測(cè)量。


(6)測(cè)量了-7.0~10.0℃、0.02~0.12 wt%氧化石墨烯納米流體的表面張力。其表面張力呈現(xiàn)隨質(zhì)量濃度的增大而增大、隨溫度的升高而減小的變化趨勢(shì),這與氧化石墨烯納米材料的表面親水官能團(tuán)導(dǎo)致納米顆粒在液滴內(nèi)的分布情況有關(guān)。此外,0.05~0.12 wt%納米流體的表面張力隨溫度的變化存在位于0℃附近的拐點(diǎn)。