纳米制冷剂及其气液两相传热压降性能实验装置

摘要

纳米制冷剂及其气液两相传热压降性能实验装置，属于制冷与空调技术领域。纳米制冷剂由直径在100nm以下纳米粒子的制冷剂组成，其中纳米材料为：Cu、Ni或Al2O3。该装置的压缩机出口与冷凝器进口相连，冷凝器出口与电磁膨胀阀进口相连，电磁膨胀阀出口与混合器进口相连，混合器出口与实验段进口相连，实验段出口与另一个混合器进口相连，另一个混合器出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与阀进口相连，阀出口与流量计进口相连，流量计出口与蓄液器进口相连，蓄液器出口与压缩机进口相连。本发明大大强化传热性能；降低换热器成本，用高速摄像机对纳米制冷剂在两相区的气泡进行摄像，所得到的数据与图像有助于优化纳米制冷剂的类型与配比。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种制冷剂及其气液两相传热压降性能实验装置，特别是一种采用纳米材料作为添加剂的高效纳米制冷剂及其气液两相传热压降性能实验装置，属于制冷与空调技术领域。

背景技术

制冷装置在国民经济的各个部门与人民日常生活中无处不在，广泛应用于空气调节、食品冷藏、工业生产、医疗卫生以及微电子等各个领域。由于其使用范围广泛，需要消耗大量能源，我国很多城市在夏季用电高峰时期都出现了由于制冷设备耗电过多引起用电紧张，供电部门被迫实施强制性错峰用电的现象，严重影响居民的日常生活和企业的生产经营。

为了降低制冷装置的能耗必须提高其能效比EER。提高能效比的一个常用方法是增强换热器的换热性能。一般厂家用增加换热面积的方法来提高换热器性能，虽然取得一定节能效果，但同时大大增加了换热器成本，提高制冷设备价格，使得节能者无利可图。同时增加换热面积意味着在制造过程中使用更多材料与电能，消耗了更多宝贵的资源。

纳米制冷剂是一种新型制冷剂，它是传统制冷剂与纳米材料混合后的生成物。在纳米制冷剂中，纳米材料作为新的传热要素，在纳米制冷剂流动的传热面上形成多孔质层，同时还有纳米材料的自由移动，这些因素大大增强了制冷剂的换热特性，使得使用纳米制冷剂的换热器性能有很大提高，不仅可以增加能效比，而且还能缩小换热面积，降低换热器成本，减少换热器生产过程中的资源消耗。

纳米材料的不同类型、不同配比会对纳米制冷剂的性能产生很大影响，为了全面了解各类型纳米制冷剂的传热压降性能，从而优选出纳米材料的最佳类型及配比，就必须使用纳米制冷剂气液两相传热压降性能实验装置来作定量测试。目前对纳米制冷剂在两相区的传热机理尚不清楚，有必要对纳米制冷剂换热面附近气泡的生成，膨胀、移动进行深入观测研究，这需要对测试管作特殊处理，以便高速摄像机摄像。

经对现有技术的公开文献检索发现，尚无纳米制冷剂及其气液两相传热压降性能实验装置的专利。国内有一个得到批准的纳米流体专利：纳米流体高效传热冷却工质及其制备方法，专利授权公告号：00112344.0。美国有关于纳米流体的专利：(1)Nano carbon materials for enhancing thermal transfer in fluids(流体中强化传热的纳米碳材料)，美国专利号6,695,974；(2)Enhanced heattransfer using nanofluids(利用纳米流体强化传热)，美国专利号6,221,275。虽然广义上的纳米流体包括纳米制冷剂，但是制冷装置中纳米制冷剂主要在两相区换热，换热过程中制冷剂将出现气液两相的复杂状态，加之纳米颗粒为固体，传热机理极其复杂。而以上专利中流体都处于简单的液相，不涉及两相状态，也没有为研究两相区传热而专门搭建气液两相传热压降性能实验装置，使用高速摄像机对气泡摄像等。

发明内容

本发明的目的在于针对现有缺乏高效制冷剂的不足，提供一种纳米制冷剂，使其可以大大提高换热器性能，降低制冷设备能耗与成本。同时提供一种纳米制冷剂气液两相传热压降性能实验装置，可以定量测试纳米制冷剂性能，拍摄纳米制冷剂在两相区的气泡的传热举动。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由直径在100nm以下纳米粒子的制冷剂组成，其中纳米材料为：Cu、Ni或Al₂O₃。

一种纳米制冷剂气液两相传热压降性能实验装置，其特征在测试不同类型、不同配比的纳米制冷剂传热性能，对纳米制冷剂在两相区的气泡的传热举动进行摄像，本装置包括：压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、混合器、实验段、蒸发器、阀、流量计、蓄液器、高速摄像机、热风送风机、铝管、石英玻璃、O形密封圈、热电偶、压力计。压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、混合器、实验段、蒸发器、阀、流量计、蓄液器首尾相连，其连接方式为：压缩机出口与冷凝器进口相连，冷凝器出口与电磁膨胀阀进口相连，电磁膨胀阀出口与混合器进口相连，混合器出口与实验段进口相连，实验段出口与另一个混合器进口相连，另一个混合器出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与阀进口相连，阀出口与流量计进口相连，流量计出口与蓄液器进口相连，蓄液器出口与压缩机进口相连。

实验段内有大口径铝管，直径50-500毫米。热风送风机在实验段下面，将热风送入铝管。铝管上方开有槽，内置铜管。铜管内流有制冷剂，其纵向开有槽，槽上覆有玻璃，用O形密封圈进行密封，旁边有高速摄像机照像。实验段上布置有温度测试点与压力测试点，通过热电偶与压力计测量温度与压力。

本发明与已有制冷剂相比，本发明在制冷剂的基础上增加了纳米材料，并设计了专门的气液两相传热压降性能实验装置，具有显著的优点和积极效果。第一，采用新型纳米制冷剂，大大强化传热性能；第二，可以缩小换热面积，降低换热器成本，减少换热器生产过程中的资源消耗；第三，提出对纳米制冷剂气液两相传热压降性能的测试装置，可以定量测试其换热、压降性能，用高速摄像机对纳米制冷剂在两相区的气泡进行摄像，所得到的数据与图像有助于优化纳米制冷剂的类型与配比。

附图说明

图1为本发明纳米制冷剂气液两相传热压降性能测试装置示意图。

图2为本发明纳米制冷剂气液两相区高速摄像装置示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

本发明由直径在100nm以下纳米粒子的制冷剂组成，其中纳米材料为：Cu、Ni或Al₂O₃。

如图1，本发明包括压缩机1、冷凝器2、电子膨胀阀3、混合器4、实验段5、蒸发器6、阀7、流量计8、蓄液器9、高速摄像机10、热风送风机11。压缩机1、冷凝器2、电子膨胀阀3、混合器4、实验段5、混合器4、蒸发器6、阀7、流量计8、蓄液器9、高速摄像机10、热风送风机11首尾相连，其连接方式为：压缩机1出口与冷凝器2进口相连，冷凝器2出口与电磁膨胀阀3进口相连，电磁膨胀阀3出口与混合器4进口相连，混合器4出口与实验段5进口相连，实验段5出口与另一个混合器4进口相连，另一个混合器4出口与蒸发器6进口相连，蒸发器6出口与阀7进口相连，阀7出口与流量计8进口相连，流量计8出口与蓄液器9进口相连，蓄液器9出口与压缩机1进口相连。

所述的实验段5内有大口径送风管，直径在50-500毫米之间的任何一个尺寸。实验段沿流向把铜管分为11个测试区间，11个测试区间共有15个直接测量制冷工质温度和压力的测试点。在每个测试区间下面，热风通过铝管对铜管加热。铜管置于铝管的纵槽内，纵槽和铜管之间设有K型热电偶用来测量热风的平均温度。纳米制冷剂的温度由实验段入口和出口处的混合器(用来安定地测量纳米制冷剂地温度压力)以及在上述11个测试区间的测试点处的K型热电偶来测定。铜管外侧的温度由在各测试区间两侧及中间，从漆包线在铜管上固定的K型热电偶测定。纳米制冷剂的压力测试点和温度测试点设置在同一处，压力由压力计直接读出。热电偶与压力计的电压变动值通过RS-232C和计算机连接，每隔30秒纪录一次数据，共取10次纪录数据的平均值作为实验结果。为了观测铜管内的传热流动，沿铜管的纵向开有槽，在槽上覆有玻璃以便高速摄像机观测。

在开始测试时，从压缩机1送入的纳米制冷剂流入冷凝器2。通过电磁膨胀阀3调节制冷工质压力后，流经混合器4进入实验段5。纳米制冷剂在实验段5被加热、蒸发，成为气液两相或过热蒸气再次在蒸发器6换热，然后通过阀7、流量计8以及蓄液器9回到压缩机。高速摄像机10用来观测实验段5入口的气泡传热。实验段5铜管下的热风由2台热风送风机11发生，送风方向与铝管纵向相同。

纳米制冷剂气液两相区高速摄像装置具体实施方法如下。

显示观测位置和实验段横断面的细部结构如图2所示。大口径铝管12下方通热空气，上方开有纵槽13，铜管14就放在纵槽13内。沿着铜管14的纵向开有覆着石英玻璃15的槽。为了承受管内制冷剂的压力，用了两层石英玻璃15和0形密封圈16作为耐压结构。其中下面一层玻璃直接覆盖在研磨成平面后的铜管开口部上面。从上方可以观察到玻璃15覆盖着的铜管14内部。高速摄像机17置于玻璃上方，其焦点18聚焦在下面一层玻璃底面之下，靠近铜管壁面。这样可以对铜管壁面附近气泡进行观测与摄像。

高速摄像机17记录速度为4,000帧/秒，摄像结果输入到计算机中以后，经过专门软件处理后即可为分析提供清晰的图像。