水基纳米流体分散稳定性及其对导热能力的影响

摘要

提高蓄冷介质固液相的导热能力是强化蓄冰槽换热的最有效方法。本论文在去离子水(DW)中添加TiO2纳米颗粒(所得到的悬浮液称为纳米流体)来提高其固液相的导热能力。分散剂对于制备分散稳定的纳米流体起着重要作用,分散剂在纳米流体中作用机理复杂,影响纳米流体的导热系数。本论文探索了分散剂对纳米流体的分散稳定性及固液相导热能力的影响。主要研究内容包括：
　　 ⑴采用两步法制备金红石型TiO2-DW纳米流体,通过添加表面活性剂(十二烷基硫酸钠)、调节PH值和超声振动等手段,制备出颗粒浓度为0.7％的不同分散剂与颗粒浓度比(0；0.5:10；1:10；3:10；5:10；7:10；10:10)的纳米流体。利用透射电镜扫描、粒径分析及称重法等表征纳米流体的分散稳定性。
　　 ⑵比较Hot Disk热常数分析仪和闪光法,选择合适的导热仪器测量上述纳米流体的导热系数。将实验结果与经典的计算液.固两相悬浮液导热系数的H-C模型及考虑了纳米粒子簇团影响的计算纳米流体导热系数的Xuan的模型进行对比。
　　 ⑶利用最小热阻力法则和比等效导热系数相等法则,结合纳米流体中分散剂的作用机理和纳米粒子自身的传热特点,建立没有发生粒子团聚的情况下纳米流体固相导热系数的理论模型,包括包含分散剂与不含分散剂的模型。采用上述方法配制锐态型TiO2-DW纳米流体,通过带有低温系统的Hot Disk热常数分析仪测量纳米流体结冰后固相的导热系数。将实验结果与模型的计算结果作对比。
　　 ⑷粒径分析结果显示,分散剂与颗粒重量比1:10时,团聚体的粒径最小。随着放置时间增加,颗粒团聚体的粒度减小,这是由于大颗粒沉降速度快；并且纳米流体中颗粒的含量也在减少。而纳米流体的导热系数与分散剂浓度的增加没有明显的变化规律,纳米流体的导热系数随着放置时间的增加而下降。通过线形拟合纳米流体导热系数与称重法所得纳米颗粒浓度的变化曲线,发现实验值均高于H-C模型和Xuan的模型。
　　 ⑸纳米流体固相的导热系数模型的计算结果表明,纳米颗粒的体积分数、分散剂导热系数、颗粒导热系数的增大都会引起纳米流体固相导热系数的增大,不包含分散剂的导热模型计算值比包含分散剂的模型高,且粒径越小,两者之间的差异越大。实验测量结果与包含分散剂的导热系数理论模型计算结果相比,实验值与理论值之差在±2％之内。
　　 ⑹分析认为分散剂的加入影响了纳米流体的分散稳定性,分散稳定性影响着纳米流体的导热系数。并且分散剂也使得纳米流体内部能量传递过程更加复杂,导致了其导热系数的实验测量值与导热模型的差异。