納米流體冰漿穩(wěn)定性和過(guò)冷度的研究進(jìn)展

劉軍軍

摘 要：相變蓄冷材料因具有儲(chǔ)能密度大、溫度波動(dòng)跨度小、安全環(huán)保無(wú)毒、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。冰漿作為一種相變蓄冷材料，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工獲得、安全環(huán)保、流動(dòng)換熱性能好、相變潛熱大等特點(diǎn)，因此，探討納米流體冰漿穩(wěn)定性和過(guò)冷度具有重要意義。本文簡(jiǎn)述了納米相變材料對(duì)節(jié)約能源的重要意義，對(duì)納米流體冰漿穩(wěn)定性和過(guò)冷度的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并根據(jù)研究總結(jié)了影響納米流體冰漿穩(wěn)定性和過(guò)冷度的相關(guān)因素。

關(guān)鍵詞：相變材料;納米流體冰漿;穩(wěn)定性;過(guò)冷度

中圖分類號(hào)：TB64;TB303文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0036-03

Abstract： Phase change cold storage materials （PCM） have attracted wide attention due to their advantages of high energy storage density， small temperature fluctuation span， safety， environmental protection， non-toxic and low price. As a phase change material， ice slurry has the characteristics of stable chemical properties， easy processing， safety and environmental protection， good flow and heat transfer performance， large phase change latent heat and so on. Therefore， it is of great significance to explore the stability and supercooling degree of nano fluid ice slurry.In this paper， the importance of nano phase change materials to energy saving was briefly described， and the research progress on the stability and supercooling of nano fluid ice slurry was reviewed. According to the research， the related factors affecting the stability and supercooling of nano fluid ice slurry were summarized.

Keywords： phase change materials;nanofluid ice slurry;stability;super-cooling degree

隨著我國(guó)人民生活質(zhì)量水平不斷提高和對(duì)舒適家居環(huán)境的不斷追求，空調(diào)熱能耗總量占我國(guó)能源消費(fèi)總量的權(quán)重比例逐漸增加。為了有效節(jié)約能源，相變蓄冷技術(shù)逐漸被應(yīng)用于空調(diào)供熱系統(tǒng)中。相變蓄冷材料具有儲(chǔ)能密度大、溫度波動(dòng)跨度小、安全環(huán)保無(wú)毒、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，近年來(lái)日益受到廣泛關(guān)注。而冰漿作為一種相變蓄冷材料，是一種由眾多微小白色透明的冰晶塊狀顆粒組成的固液兩相混合的溶液，其微小冰晶粒徑一般不超過(guò)1 mm。由于其具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工獲得、安全環(huán)保、流動(dòng)換熱性能好、相變潛熱大等特點(diǎn)，因此，可大大提高冰漿冷量的平均輸送量和密度，降低冷量泵送泵功率，減小輸送管道和相變換熱器的使用尺寸，節(jié)省成本和占地空間。由于冰漿的優(yōu)良儲(chǔ)冷和傳熱特性，因此，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)空調(diào)設(shè)備供冷、礦井設(shè)備降溫、食品設(shè)備冷凍和原料保鮮、消防設(shè)備滅火、醫(yī)療設(shè)備冷卻[2]等諸多方面。

本文旨在對(duì)納米流體冰漿的穩(wěn)定性和過(guò)冷度的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)影響納米流體冰漿的穩(wěn)定性和過(guò)冷度的相關(guān)因素進(jìn)行分析討論。

1 穩(wěn)定性研究進(jìn)展

納米流體冰漿的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)槠洳粌H直接或間接地影響冰漿的其他熱力學(xué)物理性能，而且直接關(guān)系到其能否在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用。直接影響納米流體分散穩(wěn)定性的影響因素有流體分散穩(wěn)定劑的主要種類和使用濃度、酸堿度、超聲振蕩等。

國(guó)內(nèi)外對(duì)新型納米流體的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了諸多深入的研究，Moldoveanu等人將Al2O3和SiO2納米顆粒加入水中，經(jīng)過(guò)充分混合和超聲處理，再經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的靜置處理，納米流體的分散穩(wěn)定性非常好[3]。凌智勇、黃躍濤等人通過(guò)添加表面活性劑制備了Cu-H2O和ZrO2-H2O納米流體，研究了十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和辛基苯基聚氧乙烯醚等表面活性劑對(duì)Cu-H2O和ZrO2-H2O納米流體分散穩(wěn)定性的影響，并利用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算出不同表面活性劑分子與Cu/ZrO2顆粒表面的相互作用能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑可較大程度地提升納米流體的穩(wěn)定性，而尤以添加十二烷基苯磺酸鈉的效果最為明顯，計(jì)算結(jié)果也顯示十二烷基苯磺酸鈉分子與Cu/ZrO2間的吸附作用最強(qiáng)[4]。馮明、張海燕等人利用Zeta電位、紫外可見(jiàn)光譜以及沉淀物照片捕捉技術(shù)來(lái)研究石墨烯納米流體的穩(wěn)定性，探究了石墨烯納米流體pH值、超聲粉碎時(shí)間以及基液對(duì)石墨烯納米流體穩(wěn)定性的影響，并且還測(cè)定了石墨烯納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，研究了溫度、濃度對(duì)石墨烯-水納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響[5]。

對(duì)納米流體分散穩(wěn)定性的研究，研究人員先后進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，取得了一定的成果。通過(guò)對(duì)這些研究進(jìn)行分析，筆者總結(jié)了各種因素對(duì)納米流體分散穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的研究結(jié)果：超聲震蕩和流體酸堿度對(duì)整個(gè)納米流體的分散穩(wěn)定性都具有一定的直接影響，并在某一特定條件下流體穩(wěn)定性達(dá)到最佳;分散劑的適量添加有利于提高納米流體的分散穩(wěn)定性，但過(guò)量的分散劑會(huì)直接造成流體穩(wěn)定性大大降低。

對(duì)納米流體穩(wěn)定性的研究，國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)做了大量的工作，然而，將納米流體制成冰漿，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究的則少之又少。目前，對(duì)納米流體冰漿穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究比較少，理論還不夠完善，還需要國(guó)內(nèi)外的研究人員進(jìn)行深入探索。

2 過(guò)冷度研究進(jìn)展

2.1 納米顆粒添加劑

隨著納米流體技術(shù)的不斷飛速發(fā)展，納米級(jí)流體材料可以降低流體的過(guò)冷度，這引起了相關(guān)研究技術(shù)人員的高度關(guān)注。Munyalo等人對(duì)二水氯化鋇納米流體進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性的研究，通過(guò)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MgO和MWCNTs納米粒子，研究人員發(fā)現(xiàn)：分別加入1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MgO和MWCNTs可以使二水氯化鋇的過(guò)冷度分別同時(shí)降低85%和90%[6]。Y.D. Liu等人對(duì)水基氧化石墨烯納米流體的成核反應(yīng)速率和流體過(guò)冷度進(jìn)行了深入研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：過(guò)冷度隨著該流體體積濃度的相應(yīng)增加而降低，最大降低幅度超過(guò)74%[7]。Liu Yudong等人對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的氧化石墨烯納米流體和去離子水液滴進(jìn)行了多次成核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究其實(shí)際過(guò)冷度和其他成核反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明：納米液滴的過(guò)冷度明顯低于去離子水液滴的實(shí)際過(guò)冷度[8]。

通過(guò)以上研究可知，添加了納米粒子的納米流體的過(guò)冷度明顯低于去離子水的過(guò)冷度，而且納米流體的過(guò)冷度降低幅度明顯，降低幅度均在50%以上，表明納米顆粒添加劑可以明顯改善納米流體的過(guò)冷度。

2.2 表面活性劑

目前，降低流體過(guò)冷度的有效方法之一就是在流體中添加表面活性劑。鄭欽月、章學(xué)來(lái)等人分別以陰離子型十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、陽(yáng)離子型十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、非離子型碳納米管水分散劑（TNWDIS）、兩性型無(wú)水甜菜堿（DESB）等作為適用于納米Al2O3、納米Fe3O4、納米TiO2及MWCNT等冰漿的分散劑，在真空條件下制取冰漿。研究發(fā)現(xiàn)：過(guò)冷度變化受不同工質(zhì)類型表面活性劑的影響較大，當(dāng)添加制冰工質(zhì)為納米四氧化三鐵，CTAB為表面活性劑時(shí)，過(guò)冷度達(dá)到最小，為0.55 ℃，較蒸餾水減少了89.28%[9]。章學(xué)來(lái)、鄭欽月等人利用電鏡掃描法、紫外分光光度法及烘干稱重法對(duì)納米TiO2流體的分散穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，研究了表面活性劑種類及濃度對(duì)其分散穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：表面活性劑類型對(duì)納米TiO2流體分散穩(wěn)定性的影響很大;表面活性劑濃度是影響真空閃蒸制冰系統(tǒng)壓力及閃蒸率的重要因素，系統(tǒng)壓力及閃蒸率均隨著表面活性劑濃度的增大而增大[10]。

綜上所述，表面活性劑的加入能夠顯著降低在制冰過(guò)程中納米流體的過(guò)冷度。雖然降低的幅度各有不同，但均有較高程度的降低。所加入表面活性劑的種類、濃度對(duì)降低過(guò)冷度有不同的效果，這可能與不同類型的表面活性劑對(duì)降低納米流體冰漿的過(guò)冷度的作用機(jī)理有關(guān)，目前，尚沒(méi)有此相關(guān)作用機(jī)理的研究報(bào)道。

2.3 表面粗糙度

對(duì)容器降低過(guò)冷度影響因素的分析研究，目前除了考慮添加表面活性劑這個(gè)影響因素外，還有一個(gè)重要的因素，即增加容器表面的物理粗糙度。Songping Mo等人研究了不同納米流體顆粒和塑料容器表面粗糙度對(duì)納米流體過(guò)冷度的綜合作用。結(jié)果表明：在相同納米粒子濃度下，玻璃容器中納米流體的過(guò)冷度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于塑料容器，并且流體過(guò)冷度隨著粒子濃度的不斷增加而逐漸減小。同時(shí)，闡述了不同納米粒子與塑料容器表面粗糙度對(duì)納米流體的相對(duì)影響，納米粒子濃度低時(shí)，過(guò)冷度主要受容器表面粗糙度大小的影響;納米粒子濃度高時(shí)，過(guò)冷度主要受納米粒子成核的速度影響[11]。

根據(jù)以上研究可知，容器粗糙度確實(shí)是影響納米流體冰漿過(guò)冷度的一個(gè)重要因素，粗糙度越高，越有利于納米粒子在容器表面的結(jié)晶成核，需要成核的臨界能也就越低，納米流體冰漿的過(guò)冷度越低。此外，其他影響因素如納米粒子添加劑與容器表面粗糙度在降低過(guò)冷度方面有一定的協(xié)同作用，然而，對(duì)其綜合影響的本質(zhì)因素卻尚未得知，需要研究人員去研究與探索。

莫松平等學(xué)者采用兩步法制備納米流體，選擇兩種不同材料的納米流體的容器，并對(duì)不同容器中納米流體的凝固相變過(guò)冷度進(jìn)行測(cè)試，探討容器表面對(duì)納米流體相變過(guò)冷特性的作用，分析受容器導(dǎo)熱系數(shù)影響的納米流體的降溫速率，容器表面的接觸角和粗糙度等參數(shù)因素對(duì)納米流體過(guò)冷特性的影響，并確定上述參數(shù)中影響納米流體過(guò)冷度的主要因素[12]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了納米相變材料對(duì)節(jié)約能源的重要意義，總結(jié)了影響納米流體冰漿穩(wěn)定性和過(guò)冷度的相關(guān)因素。通過(guò)總結(jié)可知，對(duì)納米顆粒和表面活性劑能降低納米流體冰漿過(guò)冷度的本質(zhì)因素尚未清楚，對(duì)納米顆粒與表面活性劑的選擇使用也尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)于容器粗糙度在降低納米流體冰漿過(guò)冷度方面的探索也少之又少，這些問(wèn)題需要研究人員進(jìn)一步進(jìn)行深入探索和研究。

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