納米材料在制冷行業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王 燕，王 鵬，王凱明，張霞玲，張美瓊

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

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納米材料在制冷行業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王 燕，王 鵬，王凱明，張霞玲，張美瓊

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

納米材料由于其具有表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)四種特性，因此，被用作添加劑時(shí)可以有效地改善潤(rùn)滑油原有的部分物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)，并能獲得具有優(yōu)良質(zhì)量的產(chǎn)品。近年來，在制冷行業(yè)中，納米材料的用途也在逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，因此本文對(duì)納米材料在制冷行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景作了一個(gè)較為系統(tǒng)的闡述。

納米材料；制冷行業(yè)；應(yīng)用

納米材料是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種高新材料。納米材料是指粒度在1～100 nm之間的粒子的總稱，故納米材料又稱為超細(xì)微粒材料，屬于膠體粒子大小的范疇[1]。這類材料由于其特殊的表面效應(yīng)和尺寸等基本特性，因此具有了一些獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)其加入到其它物質(zhì)中時(shí)會(huì)改變?cè)撐镔|(zhì)的一些固有屬性，激化物質(zhì)的活性，為其增加一些新的特性，因而具有廣泛的應(yīng)用前景，從而被譽(yù)為“跨世紀(jì)的新材料”。

目前節(jié)能環(huán)保是世界各國的重要課題之一，在制冷行業(yè)中，研究開發(fā)能源利用率高，資源消耗低的制冷設(shè)備所涉及的問題成為了制冷行業(yè)最為重要的工作內(nèi)容。納米材料作為添加劑可改善物質(zhì)原有性質(zhì)，因此納米材料在制冷行業(yè)中的應(yīng)用也在逐漸被開發(fā)。本文主要針對(duì)把納米材料作為添加劑后用在制冷行業(yè)中所改善的性能方面作了一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

1 納米材料的特性

1.1 納米材料的表面與界面效應(yīng)

納米材料的表面與界面效應(yīng)是指納米材料的表面原子數(shù)目與總原子數(shù)目之比會(huì)隨著納米材料粒徑的變小而迅速增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著納米材料粒徑的減小，納米材料的表面原子處于裸露狀態(tài)，周圍缺少相鄰的原子，這樣就會(huì)有許多剩余的鍵力，就會(huì)導(dǎo)致易與其它原子結(jié)合而形成相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[2]。

1.2 納米材料的小尺寸效應(yīng)(體積效應(yīng))

納米材料的小尺寸效應(yīng)，也叫納米材料的體積效應(yīng)是指當(dāng)納米材料粒徑的大小與光波的波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子的物質(zhì)波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等特征尺寸相當(dāng)或者比它們更小時(shí)，它的周期性邊界條件將被破壞，從而使其本身的一些性能隨著納米粒徑的減小而發(fā)生顯著的變化[2]。

1.3 納米材料的量子尺寸效應(yīng)

納米材料的量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)納米材料顆粒尺寸下降到一定值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)，并且納米半導(dǎo)體材料中存在著不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級(jí)(HOMO)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)(LUMO)，并且能隙變寬的現(xiàn)象[3]。

1.4 納米材料的宏觀量子隧道效應(yīng)

納米材料粒子具有貫穿勢(shì)壘能力的效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中磁通量等也具有隧道效應(yīng)，它們也可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，故這種被稱為納米材料的宏觀量子隧道效應(yīng)[4]。

以上四種納米材料的效應(yīng)是納米材料的基本特性，它使得納米材料呈現(xiàn)出許多特異的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，適當(dāng)添加納米材料可以改變物質(zhì)原有的一些特性，從而使納米粒子在許多方面得到了應(yīng)用。本文主要介紹納米材料在改善制冷系統(tǒng)性能方面的應(yīng)用作一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

2 納米材質(zhì)在制冷行業(yè)中的應(yīng)用

納米材料應(yīng)用于制冷行業(yè)需要以其在冷凍機(jī)油中的穩(wěn)定性和分散性為前提，其次是必須保證納米材料在礦物型冷凍機(jī)油-制冷劑體系中與原制冷系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生任何地反應(yīng)。納米材料的添加將會(huì)改變含油制冷劑的一些物性性質(zhì)，如黏度、表面張力、飽和蒸氣壓等。目前已有對(duì)納米材料應(yīng)用于制冷行業(yè)中進(jìn)行的相關(guān)研究，本節(jié)就主要對(duì)納米材料在制冷行業(yè)的應(yīng)用做一概述。

2.1 改善制冷劑與冷凍機(jī)油的相溶性

制冷劑與冷凍機(jī)油的相溶性被認(rèn)為是決定制冷系統(tǒng)特性和壓縮機(jī)壽命至關(guān)重要的問題。在制冷系統(tǒng)中，制冷劑要與冷凍機(jī)油相互接觸，要求二者之間應(yīng)具有一定的溶解性。目前由于有些制冷劑的化學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，與傳統(tǒng)的礦物型冷凍機(jī)油相溶性較差，目前主要是使用合成型冷凍機(jī)油，但合成型冷凍機(jī)油具有較強(qiáng)的吸水性，且價(jià)格較高。因此，為了降低壓縮機(jī)生產(chǎn)成本，替代合成型冷凍機(jī)油，國內(nèi)外開展了利用納米材料改善制冷劑與礦物型冷凍機(jī)油相溶性的研究，研究結(jié)果表明，特定的納米材料能夠有效地改善極性較強(qiáng)制冷劑與礦物型冷凍機(jī)油之間的相溶性。

郝斌[5]在其研究過程中發(fā)現(xiàn)，納米材料能夠用于強(qiáng)化礦物型冷凍機(jī)油的化學(xué)極性，從而改善了極性較強(qiáng)制冷劑與礦物型冷凍機(jī)油之間的相溶性。且采用納米材料后，制冷系統(tǒng)的回油性能也變好了。

雍翰林等[6]在研究過程中發(fā)現(xiàn)，冷凍機(jī)油在添加了特定的納米材料粒子后，與原有制冷系統(tǒng)中的制冷劑相溶性良好，熱工性能要優(yōu)于原系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定。

王瑞祥等[7-8]開展了關(guān)于礦物型納米冷凍機(jī)油與氫氯氟烴類制冷劑相溶性的研究，研究結(jié)果表明，經(jīng)過合適的匹配后，礦物型納米冷凍機(jī)油與氫氯氟烴類制冷劑之間的溶解性得到改善，同時(shí)制冷系統(tǒng)的效率也得到了一定程度的提高。

CN 1473916A[9]中也介紹了一種改善礦物型冷凍機(jī)油與氫氯氟烴類類制冷劑之間相溶性的方法。加入特定的納米材料粒子后，系統(tǒng)具有良好的潤(rùn)滑性能、電絕緣性能和穩(wěn)定性能。

利用納米材料的特性來改善極性較強(qiáng)的制冷劑和礦物型冷凍機(jī)油的相溶性，將是對(duì)制冷行業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段之一。

2.2 改善傳熱性能

納米材料添加劑與流體混合后可提高該流體的傳熱性能，提高系統(tǒng)的效率。

Choi等[10]通過試驗(yàn)將金屬或非金屬的顆粒按一定的比例加入到液體中制備出的納米流體，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法顯著提高了原流體的導(dǎo)熱系數(shù)，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱。

姜未汀等[11]通過分析對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)納米制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)主要由納米材料的粒徑、納米材料和制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)以及納米材料和制冷劑的體積分?jǐn)?shù)3個(gè)因素所決定的，其中納米材料的粒徑越小，納米材料和制冷劑的體積分?jǐn)?shù)越大則納米制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)越大。

畢勝山等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)，與純流體相比，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)要大，且增大幅度與納米材料的顆粒濃度呈正比。

由資料查詢可知，納米材料可以改善流體的傳熱性能的原因主要在于兩個(gè)方面，其中一方面是納米材料增加了流體的表面積及熱容量，從而使流體的導(dǎo)熱系數(shù)增大；而另一方面是納米材料之間、納米材料與流體之間、納米材料與壁面之間相互頻繁的碰撞也會(huì)強(qiáng)化傳熱[13]。

2.3 改善摩擦性能

納米材料添加劑可有效地改善摩擦件之間的摩擦，特別是在降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性能方面更具有優(yōu)異的特性，并對(duì)摩擦件表面進(jìn)行一定程度的填補(bǔ)和修復(fù)作用。

郭志光等[14]通過實(shí)驗(yàn)將納米材料添加劑溶于潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油中得到分散穩(wěn)定的懸浮液，通過分析發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油的摩擦性能得到良好的改善。

王曉麗等[15]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米材料作為添加劑能明顯地降低潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)(降低34%)和磨斑直徑(降低32%)。這是由于納米材料在摩擦過程中，能夠在摩擦件表面形成一層保護(hù)膜的緣故。

張立等[16]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)特點(diǎn)的納米材料粒子可以提高基礎(chǔ)油的極壓抗磨性能。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)是由于在摩擦過程中納米銅粒子在摩擦件表面形成了沉積膜，與基礎(chǔ)油中的活性元素形成的化學(xué)反應(yīng)膜產(chǎn)生協(xié)同作用，從而表現(xiàn)出良好的極壓抗磨性能。

納米材料可以改善摩擦性能的原因，目前有3種說法。第一種是Homola和Israeleachvili等[17]認(rèn)為的在于摩擦件摩擦表面粗糙度的改善和是否能形成邊界潤(rùn)滑膜。第二種是張余平等[18]認(rèn)為的滾動(dòng)軸承作用。第三種是烏學(xué)東等人[19]提出的是由于在摩擦過程中，納米材料形成了納米膜和擴(kuò)散層或滲透層，二者協(xié)同作用降低磨損。

3 結(jié) 語

納米材料的引入對(duì)制冷行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)地影響，納米材料作為添加劑加入到冷凍機(jī)油中，可有效地改善與極性較強(qiáng)的制冷劑與礦物型冷凍機(jī)油的相溶性，改變了極性較強(qiáng)制冷劑對(duì)合成型冷凍機(jī)油的依賴性；同時(shí)納米材料的加入可以改善制冷系統(tǒng)的傳熱性能、提高系統(tǒng)效率以及改善制冷壓縮機(jī)摩擦件的磨耗情況。

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Research Progress on Application of Nano-materials Used in the Refrigeration Industry

WANGYan,WANGPeng,WANGKai-ming,ZHANGXia-ling,ZHANGMei-qiong

(PetroChina Karamay Petrochemical Company Limited, Xinjiang Karamay 834003, China)

because Nano-materials have four characteristics of particular surface and interface effect, small size effect, quantum size effect and macroscopic quantum tunneling effect, it can effectively improve the part of the physical and chemical properties of lubricating oil, access to excellent quality of the products.In recent years, in the refrigeration industry, the purpose of the nano-materials at home and abroad has been gradually become a hot research topic.The research progress of application of nano-materials in the refrigeration industry was reviewed.

nano-materials; refrigeration industry; application

王燕(1987-)，女，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事煉油工藝研究及油品開發(fā)。

TB61

A

1001-9677(2016)019-0020-03