水基纳米流体的制备及其热物理特性实验研究

发布时间：2021-09-04 09:07

 

【摘要】 换热介质的低导热性能，已经成为研究高效传热冷却技术的障碍。因此，需要从工质着手研发高换热性能的换热介质。纳米粉体添加到基液中配制成的纳米流体通常比基液具有更大的导热系数，其已经成为提高流体传热性能的有效途径。为方便工程应用需要知道其比较准确的热物性特性数据，考察纳米粉体的种类、浓度，分散剂的种类、浓度，温度，陈化时间等不同因素对纳米流体热物理特性的影响规律，本文的主要内容和结论如下：1.水基纳米流体的制备方案研究。选择了三种球形纳米粉体CuO、α-Fe2O3、γ-Al2O3，单壁碳纳米管：SWNT；选择了SDBS、SDS、HTAB、GA四种分散剂；选择几种不同的纳米粉体和分散剂质量比为4:1、2:1、4:3、1:1。配制了一系列纳米流体，并采用沉降观测法和紫外-可见分光光度法对其分散稳定性进行了研究。研究表明：要配制分散稳定性良好的纳米流体，对于不同的纳米粉体，合适的分散剂种类和加入量可能不同。2.水基纳米流体热物理特性的实验研究。考察了纳米粉体的种类、浓度，分散剂的种类、浓度，温度，陈化时间对其热物性的影响规律。结果表明：在纳米粉体浓度1.0~5.0g·L-1范围内，不管是球形水基纳米流体还是碳纳米管水基纳米流体的导热系数提高率与纳米粉体的浓度基本呈线性关系，但是其导热系数提高率与前人的研究结果相比都要小得多。不同的纳米粉体，对基液的导热系数影响不同。由于分散剂的种类对纳米流体的分散稳定性的影响不同，纳米流体的导热系数提高率的大小受分散剂的种类和其分散稳定性共同作用。在10~50℃温度范围内，温度对水基纳米流体的导热系数影响很大，温度越高，导热系数提高率越快。在10℃、30℃和50℃时，CuO/DIW纳米流体的导热系数相比新制备的纳米流体分别最大降低了0.20%、0.19%和0.48%，纳米流体的导热性能随着陈化时间有一定的退化。在其它条件相同的情况下，纳米流体的黏度随着纳米粉体浓度及分散剂浓度的增加而增加，随温度的增加而减小。纳米流体的黏度大于基液的黏度。在其它条件相同的情况下，纳米流体的密度都小于基液的密度，且随着纳米粉体浓度而增加，随着分散剂浓度的增加先增加再减小，随温度的增加而减小。3.水基纳米流体的热物理特性模型研究。对于球形纳米流体导热系数模型方面，将Maxwell模型、Yu&Choi模型、Wang模型、Kumar模型和实验值比较，并对Kumar模型进行改进。对于碳纳米管纳米流体导热系数模型方面，考虑到CNT的不同结构特性，建立适应于CNT水基纳米流体导热系数的预测方法。对于纳米流体黏度模型方面，将实验值与黏度模型值比较，得到实验值大于模型值。对于纳米流体密度模型方面，对实验值与两相流体的密度模型公式进行比较，得到实验值小于各模型值。 

第1章 绪 论

 

1.1 研究背景及意义

换热介质的低导热性能，笔耕文化传播，已经成为研究高效率传热冷却技术的障碍。因此，需要从工质着手研制具有优良换热性能的换热介质。为方便工程应用需要知道其比较准确的热物性数据，流体热物性的数据在能源和化工等领域的研究中都是不可或缺的。

1995 年 Choi 等研发了一种新的换热流体—纳米流体。纳米流体由于其优越的导热和输运性能而吸引了学者的关注，相对于普通的固-液悬浮液，纳米流体有以下几方面优势：1）由于纳米粉体粒径小，导致比表面积大，使纳米粉体和基液之间有更高的换热面积；2）纳米流体的导热系数和传热性能较基液提高很大；3）与基液相比，获得相同的热量，纳米流体需要的动力能耗小；4）相对于毫米、微米粒子，纳米粉体不容易引起管道等堵塞，推进了系统的小型化进程；5）纳米粉体的布朗运动其主要作用，使其有良好的分散稳定性。

通过将纳米粉体分散到基液中可以提高基液的导热系数，有效地强化换热，提高装置的效率，是因为添加纳米粉体到基液中可能增加了基液的比热容和换热面积，另外由于纳米粉体的粒径小，布朗运动剧烈，与基液分子及壁面之间的碰撞机会增多，加速了热量的传输，强化了传热。纳米粉体添加到基液中配制成的纳米流体通常比基液具有更大的导热系数，其已经成为提高流体传热性能的有效途径。

纳米流体具有的许多优点，需要以其分散稳定性好为前提的。当纳米粉体因团聚进而黏附在在壁面上时，不但不会强化换热，而且可能造成堵塞，加剧热交换设备的老化，减少其寿命。然而，由于纳米粉体尺寸较小使其具有较大的表面能，容易引起粒子团聚，形成带有若干弱连接界面的较大团聚体，因此纳米粉体的分散稳定性是纳米流体进行后续工作的前提，也是纳米流体可否进行实际工程应用的重要方面。

综上所述，配制分散稳定性好的纳米流体，测量纳米流体的热物性数据对于纳米粉体在传热领域的应用有着指导性意义。

 

1.2 国内外研究现状

目前，试验研究仍然是研究纳米流体热物性的主要方法，大量学者也在尽可能地了解纳米流体热物性改变的机理，但仍尚未统一。对于纳米流体的研究主要体现在两个方面，一方面是纳米流体的制备工艺及其分散稳定性研究，这方面的研究目前在起步阶段；另一方面是纳米流体换热性能的理论研究。

1.2.1 纳米流体的分散稳定性

纳米粉体在基液中有良好的分散稳定性是进行纳米流体特性研究的前提，也是纳米流体应用到各领域中所要攻克的关键问题。虽然，纳米流体的分散稳定性研究很多，但是由于纳米粉体、分散剂等的多样性，研究的结果也不统一，而且还没有统一的分散稳定性评价标准。

目前，一步法和两步法是制备纳米流体的两种方法。一步法是指将纳米粉体和纳米流体的制备是先后完成的，这样制备的纳米粉体的尺寸小，分散性好，不需要表面改性处理就能得到分散稳定性好的纳米流体，但是一步法对设备的要求高，产量小，费用高，不利于工业化的发展；两步法是指首先制备出纳米粉体，然后通过合适的分散方法分散到基液中以获得分散稳定性良好的纳米流体，这种方法的优点是程序简单方便，适合于实际应用。

引起纳米粉体团聚的原因是多方面的，主要如下：

1）纳米粉体的表面活性较高。一是由于纳米粉体的表面能较大；另一方面是由于大量悬空键存在于表面原子上，所以表面活性较大。

2）纳米粉体间的分子力。由于纳米粉体粒径小，粉体间的距离较短，纳米粉体间的吸引力较大，纳米粉体相互聚集而团聚。

制备出均匀性好、分散性好、稳定性高和寿命长的纳米流体，是将纳米流体应用于制冷领域和强化传热所需要的。Xuan 等对如何提高纳米流体的分散稳定性提出了几种方法：(1)对纳米流体的 pH值进行调整。在水系纳米流体中，通过调节纳米流体的pH值，改变纳米粉体表面的 Zeta电位来达到分散稳定的目的。(2)添加表面活性剂。采用化学方法对纳米粉体进行表面处理，有目的地改变其表面物理化学性质。表面改性的目的是降低纳米粉体的表面能，提高纳米粉体分散到基液中后的分散稳定性。(3)利用超声波震荡来分散纳米流体。超声波机理与空化作用有关。最常用的方法是通过添加表面活性剂，改变纳米粉体的表面特性，抑制纳米粉体团聚的发生，以获得分散稳定性良好的纳米流体。

 

第2 章 水基纳米流体的制备研究

 

纳米粉体在基液中具有良好的分散稳定性是研究纳米流体性能的前提，也是纳米流体应用于各领域所要攻克的首要难题。本章通过选择适当的纳米粉体和分散剂，制备出分散稳定性良好的水基纳米流体，找到水基纳米流体的最佳制备方案。

 

2.1 纳米流体的分散稳定性机理

胶体是一种均匀混合物，由粒度介于宏观粒子和微观分子之间的微粒形成的分散体系。纳米流体属于胶体范畴的分散体系。纳米流体属于胶体范畴的分散体系。在纳米流体中，因为纳米粉体的各种特性，导致作用在纳米粉体上的所有质量力对纳米粉体的分散不占决定性作用，而是作用在纳米粉体上的表面力、范德华力、静电斥力占主导的作用。根据其不同的主导作用可以将水基纳米流体的稳定机理分为：静电稳定机制、空间位阻稳定、静电位阻稳定和竭尽稳定等机制。

1) 静电稳定机制

静电稳定的稳定机理是双电层排斥理论（DLVO 理论）。双电层结构的模型主要有四种，分别为 Helmholtz 模型、Gouy-Chapman 模型、Stern 模型和 Graphame 模型。目前，比较受重视的理论是在Stern 模型基础上发展起来的 Graphame 模型。纳米粉体分散到基液中，特别是基液为去离子水时，去离子水可以电离，容易形成Zeta 电位。当电位的绝对值较大时，静电斥力起着主要作用，纳米粉体不易团聚，水基纳米流体稳定；反之，范德华引力起主要作用，纳米粉体容易团聚，进而沉淀下来，水基纳米流体不稳定。

2) 空间位阻稳定机制

空间位阻稳定是指在基液中加入一些不带电的高分子聚合物类分散剂，高分子聚合物类分散剂的溶剂化链在基液中充分的伸展，形成空间位阻层作为一个稳定部分，这样增大了纳米粉体间的距离，降低了纳米粉体的范德华力，从而阻碍纳米粉体间的碰撞团聚及其沉降。

3) 静电位阻稳定机制

静电位阻稳定是通过在基液中添加一定量的带电的高分子聚合物，其吸附在纳米粉体的表面，形成一个空间位阻层，同时它会和纳米粉体之间形成静电排斥力。在空间位阻和静电的共同作用下，纳米流体具有良好地分散稳定效果。

4）竭尽稳定机理

若采用的非离子性聚合物没有锚固基团，或只和纳米粉体发生弱吸附或负吸附，此时纳米粉体表面的聚合物浓度降低，导致体系中不能形成空间位阻层。当纳米粉体相互接近时，聚合物分子离开两纳米粉体的中间区域和竭尽区域，而在介质中重新分布。竭尽稳定作用主要取决于高聚物的浓度和聚合物与冷冻机油的相溶性。

对于纳米粉体-水分散系，静电、空间位阻效应是同时共存的，采用静电位阻稳定机理解释比较合理。

 

2.2 水基纳米流体的制备方法

水基纳米流体合适的制备方法需要选择合适地纳米粉体和分散剂，当纳米粉体与分散剂之间匹配了，在适当的分散条件下，分散剂才能发挥作用，使纳米粉体在基液中有较好的分散效果，防止团聚的发生，以便纳米粉体能够长期稳定的分散在基液中，从而制备出长期有效并且有特定功能的纳米流体。

2.2.1 纳米粉体的选择

由于纳米粉体的形状和种类多样，根据纳米粉体形状的不同，选择两类纳米粉体，分别为球形纳米粉体和碳纳米管。

球形纳米粉体选择常用金属氧化物 CuO、α-Fe2O3、γ-Al2O3，碳纳米管选择的是单壁碳纳米管（SWNT）；SWNT 是由中国科学院成都有机化学有限公司提供，其MFG Code为IS110406，其平均直径为 1~2 nm,长度为 30μm，CNTs纯度为 90wt%，SWNTs纯度大于60%。基液为去离子水，电阻为18MΩ。本文选取的纳米粉体，其主要参数和制造商家列于表2-1中。

 

 

2.2.2 分散剂的选择

分散剂的作用是降低固-液、液-液、固-气之间的界面自由能，尽量减少分散过程中表面能的增大，使分散容易进行，同时使分散后的粉体带同样电荷产生静电排斥作用或液膜保护作用，分散后的粉体不再团聚，起到稳定保护胶体的作用。分散剂的应用中，需根据不同的目的选择具备适当的亲水亲油的分散剂。在制备纳米流体时，根据纳米粉体和纳米流体的用途选择适当地分散剂及分散剂的添加量。当纳米流体中分散剂浓度过高时，会出现过饱和吸附的现象，纳米流体中过多的高分子长链可能会互相交叉连接，使纳米流体的分散稳定性难于保证。而当其浓度过小时，则分散剂不能将纳米粉体全部包裹，粒子之间的吸引力仍较大，纳米粉体将团聚。所以，一定要选择与纳米粉体、基液等相匹配的分散剂及其添加量。

 

第 3 章 水基纳米流体的分散稳定性评价的实验研究............18

3.1 球形纳米粉体/DIW 纳米流体的分散稳定性评价...............18

3.1.1 CuO/DIW 纳米流体的分散稳定性评价......18

3.1.2 α-Fe2O3/DIW 纳米流体的分散稳定性评价...........19

第 4 章 水基纳米流体热物性的实验研究..........26

4.1 纳米流体导热系数等热物性的实验研究.............26

4.1.1 导热系数的实验研究.................26

第 5 章 水基纳米流体导热系数等热物性的模型研究..........44

5.1 水基纳米流体的导热系数模型研究.......................44

 

第5章 水基纳米流体导热系数等热物性的模型研究

 

除了实验研究纳米流体的热物性之外，理论预测是实现纳米流体工业化和产业化的重要一步，因为对所有的纳米流体导热系数通过实验测量有点困难。因此，需要建立纳米流体的导热系数模型来预测纳米流体的导热系数，具有一定的实际应用意义。导热系数模型应更多考虑影响纳米流体导热系数的因素。

 

5.1 水基纳米流体的导热系数模型研究

5.1.1 球形水基纳米流体的模型研究

5.1.1.1 纳米流体导热系数实验值和模型值的比较

 

 

图 5-1 (A)、(C)、(E)中，温度为 30 ℃，图5-1 (B)、(D)、(F)中，纳米粉体质量浓度为3 g·L-1。从图5-1 (A)、(C)、(E)中可以看出，各模型值都小于实验值，Kumar模型的导热系数提高率数量级为10-7。图5-1 (B)、(D)、(F)中可以看出，Maxwell 模型、Yu&Choi模型和Wang 模型的导热系数提高率值随着温度的升高而略有下降，这与实验值相反。原因可能是这些模型未考虑温度的影响。Kumar 模型的导热系数提高率值随着温度的升高而升高，但数量级和实验值相差太多。因此，需要对纳米流体的导热系数模型改进。

【学位级别】：硕士

结论与展望

主要工作

本文主要验证将纳米粉体分散到基液中是否可以提高流体的导热系数，并且在基液中添加纳米粉体是否提高纳米流体的黏度和基液的密度。本文的主要工作如下：

1．水基纳米流体的制备方案研究及其分散稳定性评价。制备了一系列球形纳米流体(CuO/DIW、α-Fe2O3/DIW、γ-Al2O3/DIW)和 SWNT/DIW 纳米流体，考察分散剂种类和分散剂浓度分别对球形纳米流体和碳纳米管水基纳米流体的分散稳定性的影响，主要从重力沉降法和紫外可见分光光度法方面进行评价，从中分别选择各自分散稳定性较好的纳米流体制备方案。

2．水基纳米流体导热系数等热物性的实验研究。考察了纳米粉体的种类、浓度，分散剂的种类、浓度，温度，陈化时间对其导热系数的影响规律。并考察了纳米粉体的浓度、分散剂的浓度及温度对纳米流体黏度和密度的影响。

3．水基纳米流体的热物理特性模型研究。对于球形纳米流体导热系数模型方面，将 Maxwell 模型、Yu & Choi 模型、Wang 模型和 Kumar 模型的值和实验值比较，并对Kumar模型进行改进。对于碳纳米管纳米流体导热系数的模型方面，建立了适用于碳纳米管水基纳米流体导热系数的预测方法，并将模型值与实验值比较。对于纳米流体黏度方面，将实验值与模型值比较。对于纳米流体密度模型方面，对实验值与两相流体的密度模型进行比较。

主要结论

1. 要配制出分散稳定性较好的 CuO/DIW、α-Fe2O3/DIW、γ-Al2O3/DIW 和SWNT/DIW 纳米流体，合适的分散剂分别为 SDBS、SDBS、HTAB 和 HTAB，且纳米粉体与分散剂的质量比分别为2:1、4:1、2:1 和4:3。

2. 在纳米粉体质量浓度1.0~5.0 g·L-1内，不管是球形水基纳米流体还是碳纳米管水基纳米流体的导热系数提高率与纳米粉体质量浓度基本呈线性关系，但是其导热系数提高率与前人的研究结果相比都要小得多。由于分散剂的种类对纳米流体的分散稳定性的影响不同，纳米流体的导热系数提高率的大小受分散剂的种类和其分散稳定性共同作用。在 10~50 ℃温度范围内，温度对水基纳米流体的导热系数影响很大，温度越高，导热系数提高率越快。在10℃、30℃和 50℃时，CuO/DIW 纳米流体的导热系数相比新制备的纳米流体分别最大降低了0.20%、0.19%和0.48%，纳米流体的导热性能随着陈化时间有一定的退化。在其它条件相同的情况下，纳米流体的黏度随着纳米粉体浓度及分散剂浓度的增加而增加，随温度的增加而减小。纳米流体的黏度大于基液的黏度。在其它条件相同的情况下，纳米流体的密度都小于基液的密度，且随着纳米粉体浓度而增加，随着分散剂浓度的增加先增加再减小，随温度的增加而减小。

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本文编号：11017