一种用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质

摘要

本发明涉及一种用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，属于资源与环境技术领域。该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：CuO、Al

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，属于资源与环境技术领域。

背景技术

热量传递过程几乎渗透到了工业中的各个领域，包括动力、冶金、石油、化工、材料等传统主体工业领域以及航空、电子、核能等高技术工业领域，由于工业生产和科学技术发展的需要，强化传热技术在近几十年获得了广泛重视和长足发展。强化传热不仅可提高传热效率，而且可降低传热设备和热量输运系统的尺寸和初投资，同时可大大降低热量输运过程中的能耗，对我国的节能和环保意义重大。

提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，室温下铜的导热系数是水的700倍，是机油的3000倍，金属氧化物如氧化铝的导热系数也比单一液体大许多倍。因此，悬浮有固体粒子的两相流体的导热系数要比纯工质液体大许多。

近年来低沸点混合工质以其特有的优点被制冷界广泛关注和大力研究，在高于200℃的中低温有机朗肯循环工质选择方面国内外也做了一些研究：如美国的Eastean等研究了在乙二醇中添加0.3%体积份额的尺度在10nm左右的铜纳米粒子，则形成的纳米流体导热系数比乙二醇提高40%以上。目前，国外在纳米流体强化传热领域的研究，己完成了纳米流体制备、纳米流体输运参数测定和纳米流体传热性能测试，正在开展纳米流体强化传热机理以及应用基础的研究工作，己进行的研究工作显示了纳米材料在强化传热领域具有广阔的应用前景。

总的来看，在有机朗肯循环用于低温热能转换方面的研究尚处于很初级的阶段。因为循环工质的选择对动力循环性能的优劣起到决定性的作用，因此对适合中低温热能的循环工质的研究和开发显得十分迫切。把新型的纳米流体用于各种中低温余热发电系统中对于增加透平输出净功，提高循环的热效率，同时使余热流最终的排放温度降低，无论从中低温热能的利用技术还是从环境保护的角度来说，该技术对节能减排都将具有重大意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质。本发明选用恰当的纳米粒子种类、基液种类和颗粒浓度进行优化组合，再采用性能良好的稳定剂制备得到传热性能增强的纳米循环工质，本发明通过以下技术方案实现。

一种用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：CuO、Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、BaCl₂、CNT（碳纳米管）、Al、Cu或Ni纳米粒子0.001～10％，R11、R113、R114、R116、R12、R124、R152a、R142b、R143a、R22、R23、R123、R134a、R245fa、R32、丙烷、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷或异丁烷有机工质89.0%~99.5%，分散剂0.01~0.04%，助表面活性剂0.5~11%。

所述纳米粒子粒度为10~60nm，纯度为99%。

所述分散剂为两性离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或任意几种比例混合物。

所述助表面活性剂为醇类、胺类、酯类和醇醚类中的一种或两种任意比例混合物。

所述两性离子型表面活性剂为咪唑啉型咪唑啉双羧酸钠、1-羟乙基-1羧甲基-烷基咪唑啉、十二烷基甜菜碱、十二烷基丙基甜菜碱、磷脂型卵磷脂、磷酸甘油脂、多元醇葡糖酯型淀粉、烷基糖苷、月桂酰胺乙基羟乙基甘氨酸钠。

所述非离子型表面活性剂为酯类聚氧乙烯、失水山梨醇脂肪酸酯（失水山梨醇单月桂酸酯Span20、失水山梨醇单硬脂酸酯Span60、山梨糖醇酐三硬脂酸酯Span65、失水山梨醇单油酸酯Span80、山梨糖醇酐三油酸酯Span85）、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯（吐温-20、吐温-21、吐温-40、吐温-60、吐温-81）和辛烷基酚聚氧乙烯醚（OP-4、OP-7或OP-10）的混合物。

所述醇类为丁醇、乙醇、丙醇、乙二醇，胺类为正己胺、丙烯酰胺，酯为磷酸酯、脂肪酸酯，醇醚类为乙二醇醚、乙二醇单已基醚。

一种上述的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质的制备方法，其具体步骤如下：

（1）首先将分散剂和助表面活性剂分别加入到有机工质中搅拌均匀得到混合有机物；

（2）将纳米粒子加入到步骤（1）得到混合有机物中，在频率为20~30KHz条件下超声振荡10~50小时形成稳定的纳米循环工质。

用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质是指在50℃以上至200℃以下的温度下使用的纳米循环工质。

本发明的有益效果是：

（1）采用本发明制备的中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，发现固体传热面附近气泡变小且移动速度变快,固体壁面形成的纳米尺度多孔质层、纳米颗粒周围分子吸附层以及纳米颗粒对粘性底层扰乱而减小边界层厚度，使工质的单位面积传热量得到显著增强。

（2）由于固体纳米粒子的导热系数远比液体大，纳米颗粒的加入改变了有机工质基础液体的结构，增强了循环工质内部的能量传递过程，使得导热系数与换热系数增大，管内流体的强化流动沸腾换热得到显著增强，通过纳米流体数学物理计算模型计算得到本发明的换热系数较纯工质平均提高30%。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：Cu纳米粒子0.1％，R245fa有机工质89.0%，分散剂0.04%，助表面活性剂10.86%，其中Cu纳米粒子粒度为10nm，纯度为99%；分散剂为质量比40∶60的OP-4与吐温-81；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有导热系数高，单位面积传热量大，换热系数高，降低边界层厚度等性能参数，与R245fa有机工质相比有导热系数提高30%，换热系数提高20%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件。

实施例2

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：CuO纳米粒子0.001％，R11有机工质99.5%，分散剂0.03%，助表面活性剂0.469%，其中CuO纳米粒子粒度为60nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1的咪唑啉型咪唑啉双羧酸钠和1-羟乙基-1羧甲基-烷基咪唑啉混合物，助表面活性剂为质量比为1:1的丁醇和正己胺混合物；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有导热系数高，单位面积传热量大，换热系数高，降低边界层厚度等性能参数，与R11有机工质相比有导热系数提高32%，换热系数提高25%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件。

实施例3

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：TiO₂纳米粒子8％，R114有机工质91.0%，分散剂0.04%，助表面活性剂0.96%，其中TiO₂纳米粒子粒度为50nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1的十二烷基甜菜碱和失水山梨醇单硬脂酸酯Span60，助表面活性剂为质量比为1:1的乙醇和磷酸酯混合物；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有单位面积传热量大，导热系数高，普朗特数增加等性能参数，与R114有机工质相比有单位面积传热量增加40%，换热系数提高15%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件。

实施例4

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：SiO₂纳米粒子5％，R116有机工质92.0%，分散剂0.02%，助表面活性剂2.98%，其中SiO₂纳米粒子粒度为40nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1:1:1的十二烷基丙基甜菜碱、磷脂型卵磷脂、酯类聚氧乙烯和失水山梨醇单月桂酸酯Span20，助表面活性剂为质量比为1:1的丙醇和乙二醇醚；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有单位面积传热量大，导热系数高，普朗特数增加，黏度微小变化等性能参数，与R116有机工质相比有单位面积传热量增加45%，换热系数提高38%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件。

实施例5

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：BaCl₂纳米粒子7％，R12有机工质91.0%，分散剂0.04%，助表面活性剂1.96%，其中BaCl₂纳米粒子粒度为50nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1:1:1的磷酸甘油脂、多元醇葡糖酯型淀粉、山梨糖醇酐三油酸酯Span85和失水山梨醇单月桂酸酯Span20，助表面活性剂为质量比为1:1的乙二醇和乙二醇单已基醚；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有具有单位面积传热量大，导热系数高，普朗特数增加，黏度微小变化，边界层减薄等性能参数，与R12有机工质相比有单位面积传热量增加39%，导热系数提高40%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件。

实施例6

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：CNT纳米粒子3％，丙烷有机工质96.0%，分散剂0.01%，助表面活性剂0.99%，其中CNT纳米粒子粒度为20nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1:1:1的烷基糖苷、月桂酰胺乙基羟乙基甘氨酸钠、OP-10和吐温-81，助表面活性剂为质量比为1:1的正己胺和脂肪酸酯；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有单位面积传热量大，导热系数高，普朗特数增加，黏度增加变化，边界层减薄等性能参数，与丙烷有机工质相比有单位面积传热量增加50%，导热系数提高20%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件，但是黏度较纯工质有微量增加。

实施例7

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：Al纳米粒子0.001％，异戊烷有机工质90%，分散剂0.04%，助表面活性剂9.959%，其中Al纳米粒子粒度为50nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1:1的山梨糖醇酐三硬脂酸酯Span65、OP-10和吐温-81，助表面活性剂为质量比为1:1的丙烯酰胺和磷酸酯；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有具有导热系数高，单位面积传热量大，换热系数高，降低边界层厚度等性能参数，与异戊烷有机工质相比有导热系数提高40%，换热系数提高25%，单位面积传热量增加37%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件。

实施例8

该用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质，该纳米循环工质包括以下质量百分比组分：Ni纳米粒子10％，异戊烷有机工质89.0%，分散剂0.01%，助表面活性剂0.99%，其中Ni纳米粒子粒度为30nm，纯度为99%；分散剂为质量比为1:1:1的山梨糖醇酐三油酸酯Span85、OP-7和吐温-20，助表面活性剂为质量比为1:1的丙烯酰胺和磷酸酯；

本实施例制备得到的用于中低温有机朗肯循环的纳米循环工质具有导热系数高，单位面积传热量大，换热系数高，降低边界层厚度等性能参数，与异戊烷有机工质相比有导热系数提高30%，换热系数提高15%，单位面积传热量增加40%，具有更强的管内流动沸腾换热等更优越的参数条件，与纯工质相比其黏度有微小增加，但并不影响工质的主要性能参数。

以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。