[EMIM][DMP]+Water/Ethanol/Methanol及纳米流体导热系数的实验和模拟研究

摘要

吸收式热泵和吸收式制冷系统是一种节能设备，传统的热泵工质对NH3/Water和Water/LiBr都有一些不可避免的缺点。因此，许多研究正致力于开发新型的工质对。离子液体（ILs）具有蒸汽压低、挥发性小，热稳定性和化学稳定性高，液程和电化学势窗宽等优点，已广泛地应用于各个领域。已有研究表明，离子液体[EMIM][DMP]及其二元溶液具有成为新型热泵工质的潜能，但对于该体系的传递性质，尤其是导热系数的研究还很缺乏。因此，本文对[EMIM][DMP]（1）+ Water（2）/Ethanol（2）/Methanol（2）体系的导热系数进行实验和分子动力学模拟研究，一方面，为离子液体数据库增加新的热物性数据，另一方面，验证非平衡分子模拟（RNEMD）方法在计算本文体系导热系数方面的可行性。
　　实验研究部分：首先，在实验室合成离子液体[EMIM][DMP]，配好二元溶液和纳米流体，之后利用瞬态热线法测量不同温度和IL摩尔分数下的导热系数。结果表明，对于[EMIM][DMP]（1）+Water（2）体系，当x1=1.0和x1=0.6时，导热系数随温度升高而减小，当x1=0.4和x1=0.2时，则相反；对于另外两个体系，导热系数均随温度升高而减小。对于二元溶液[EMIM][DMP]（1）+Water（2）/Methanol（2）体系，随着IL摩尔分数增加其导热系数减小，而对于[EMIM][DMP]（1）+ Ethanol（2）体系则正好相反。以离子液体二元溶液为基液的纳米流体 SNF的导热系数随着碳纳米管质量分数的增加而显著增大，当x1=0.4时，最大的增强比为1.2907，此时相对于基液增加了29.07%。
　　模拟研究部分：采用RNEMD模拟研究了上述三个二元溶液体系的导热系数。首先，利用量化计算对[EMIM][DMP]进行优化计算，得到其最稳定构型、原子电荷、平衡键长和键角等力场参数，然后基于AMBER/OPLS_AA力场进行模拟计算。结果显示，密度的模拟值与实验值的相对误差在2%以内，导热系数模拟值的变化趋势和实验趋势吻合得很好，在大多数情况下相对误差小于15%，说明力场和RNEMD方法计算导热系数的合理性，在缺乏实验数据的情况下可以利用该方法对导热系数进行估计。通过比较三个体系的相对误差值，发现导热系数的误差和组分的极性有关。此外，对碳纳米管在基液中的传热机理进行了研究，发现界面处的导热系数很小，能量主要在平行于碳纳米管管轴的方向进行传递，该方向上的导热系数值可以作为混合物总的导热系数。
　　本文的研究为离子液体数据库增加了新的热物性数据，并且验证了模拟过程中所采用的力场和RNEMD方法的合理性和准确性。

目录

声明

引言

1 文献综述

1 .1 研究背景

1 .2 离子液体

1 .3 量子化学简介

1 .4 分子动力学模拟

1 .5 导热系数计算方法简介

1 .6 本文的研究内容

2 离子液体的合成和纳米流体的制备

2 .1 引言

2 .2 实验试剂及仪器

2 .3 纳米流体的制备

2 .4 本章小结

3 离子液体二元溶液及纳米流体导热系数的实验研究

3 .1 引言

3 .2 实验原理和实验装置

3 .3 装置可靠性检验

3 .4 实验结果与讨论

3 .5 本章小结

4 离子液体二元溶液导热系数的MD模拟

4 .1 引言

4 .2 离子液体的量化计算

4 .3 纯离子液体导热系数的MD模拟

4 .4 离子液体二元溶液导热系数的MD模拟

4 .5 本章小结

5 纳米流体导热系数的MD模拟

5 .1 引言

5 .2 力场和势能函数

5 .3 模拟细节

5 .4 结果与讨论

5 .5 本章小结

结论

参考文献

附录A [EMIM][DMP]的H1NMR谱图

附录B 离子液体[EMIM][DMP]的力场参数

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢