纳米颗粒强化氨水降膜发生理论分析与试验台设计

摘要

氨水吸收式制冷是一种以热能为补偿的制冷循环过程，具有可综合利用低品位热能、耗电量少、能源适应性强、制冷工质对环境友好等优点。然而因其热力系数较低、设备庞大笨重等缺点制约其应用发展。本文提出了将纳米颗粒添加到氨水溶液中，配制出稳定分散的氨水纳米流体，将其应用到实际的降膜发生中，达到提高氨水发生过程传热传质系数以及使氨水吸收式制冷设备小型化的目的。本文进行了氨水纳米流体的制备及物性研究，搭建了氨水降膜发生试验台，并针对氨水发生过程进行了相关的理论研究，为纳米流体在氨水吸收式制冷系统中进一步应用提供了研究思路。开展的工作主要包含以下几个方面:
　　1)氨水纳米流体的制备及其稳定性和物性分析。在高温纳米流体的配制及其稳定性与物性研究方面，在两步法制备纳米流体步骤中添加高温处理过程，以此研究高温纳米流体的配制方法。在常温下能稳定分散的纳米颗粒的基础上，找到了经高温处理后依然能稳定分散的纳米颗粒种类:TiN与炭黑。结合文献中已有的纳米流体的物性模型，对炭黑与OP-10组合的氨水纳米流体的物性进行了研究，并对炭黑-氨水纳米流体的粘度模型进行了适当的修正。
　　2)氨水降膜发生过程理论研究。本文建立了氨水纳米流体降膜发生的数学模型，考虑由于氨汽蒸发而引起膜厚的变化，将不规则的求解区域通过离散化转变为规则区域的求解问题。通过VB编程对温度场、速度场与浓度场进行求解。对炭黑-氨水纳米流体降膜发生进行数值求解，模拟结果显示:在一定工况下，分别存在一个最佳的分散剂OP-10体积分数与炭黑纳米颗粒质量分数使得氨水纳米流体降膜发生效果最好。
　　3)氨水降膜发生试验测试台的搭建。本文以蒸发温度-15℃氨所对应的饱和压力与冷却水温为32℃所确定吸收终了溶液的浓度，作为降膜发生的起始浓度。并依此为设计条件，对试验台的降膜发生系统、数据采集界面系统、电控系统进行设计搭建。通过三维设计软件Proe对发生器主体的各部件进行设计并组装。并对试验台设计及后期初调过程中出现的问题进行了归纳总结。
　　4)初步的试验台调试和实验验证。先通过纯氨水溶液的降膜发生实验，对搭建好的试验台进行初期性能的探索，并提出流程改进方面的意见。本文也提出了纳米颗粒对氨水溶液降膜发生效果的评价参数:降膜发生量mg、质量减少百分数φ与影响系数k。然后对炭黑-氨水纳米流体与纯氨水溶液分别进行了相同工况下的降膜发生实验。实验结果表明，在相同工况下，纯氨水溶液与炭黑-氨水纳米流体的质量分别为8.507kg与8.71kg时，炭黑-氨水纳米流体氨汽的发生量比纯氨水溶液氨汽的发生量多0.194kg，质量减少百分数比纯氨水溶液高出2.18％，炭黑纳米颗粒的加入可以强化氨水溶液的降膜发生过程。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 严峻的能源与环境问题

1．1．2 氨水吸收式制冷机的特点

1．1．3 对纳米流体的研究

1．2 国内外研究现状

1．2．1 对管外降膜蒸发的研究

1．2．2 纳米流体强化沸腾实验的研究

1．3 纳米流体应用于氨水吸收式制冷系统的研究

1．4 课题研究的主要内容及目的

第二章 高温纳米流体的配制、分散稳定性研究及物性测量

2．1 纳米流体制备及测试过程中所用到的仪器

2．2 高温纳米流体的制备过程

2．2．1 高温纳米流体制备方法介绍

2．2．2 纳米颗粒的选取

2．2．3 纳米流体配制的具体步骤

2．3 纳米流体的稳定性研究

2．3．1 纳米颗粒在基液中的稳定机制分析

2．3．2 纳米流体分散稳定性的评价方法

2．3．3 纳米流体稳定性的实验研究

2．4 纳米流体的物性研究

2．5 本章小结

第三章 管外降膜发生的数值模拟

3．1 氨水纳米流体降膜发生的物理模型

3．2 降膜发生的数学模型

3．2．1 建模过程中采用的基本假设

3．2．2 控制方程组的推导

3．2．3 边霁条件的确定

3．3 模型的数值求解

3．3．1 求解区域的规则化处理

3．3．2 坐标系变换后的初始条件与边界条件

3．3．3 方程组的离散化求解过程

3．4 降膜发生模拟结果分析

3．5 本章小结

第四章 氨水降膜发生试验台设计

4．1 实验目的和内容

4．2 实验系统组成

4．2．1 配液系统组成

4．2．2 降膜发生系统

4．2．3 电控系统

4．2．4 数据采集系统

4．3 系统主要部件与辅助装置

4．3．1 发生器主体

4．3．2 浓溶液罐和稀溶液罐

4．3．3 辅助装置

4．4 实验系统操作介绍

4．4．1 氨水纳米流体的配制

4．4．2 降膜发生实验

4．5 试验台搭建过程中出现的问题

4．6 本章小结

第五章 降膜发生试验台探索实验研究

5．1 降膜发生实验性能评价因素

5．2 降膜发生试验台性能探索

5．3 炭黑-氨水纳米流体降膜发生实验研究

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果