鄭兆志，何欽波，劉玉東

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東高校熱泵工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東 佛山 528333；2.重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

科技與應(yīng)用

聲懸浮條件下相變蓄冷納米流體過(guò)冷度實(shí)驗(yàn)研究

鄭兆志1，何欽波1，劉玉東2

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東高校熱泵工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東 佛山 528333；2.重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

采用兩步法制備了氧化石墨烯納米流體，對(duì)容器內(nèi)和聲懸浮條件下氧化石墨烯納米流體和去離子水的過(guò)冷度進(jìn)行了對(duì)比研究，聲懸浮條件下與去離子水相比，納米流體的過(guò)冷度降低了30.7%，而且成核時(shí)間提前了74.6%。納米流體在聲懸浮下的過(guò)冷度比在容器內(nèi)的過(guò)冷度低了6.87%，成核時(shí)間提前了95.5%。

聲懸??；超聲波；過(guò)冷度；納米流體；相變蓄冷

相變蓄冷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷“移峰填谷”的有效手段，目前因蓄冷材料相變成核時(shí)存在較大的過(guò)冷度，勢(shì)必要求制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度更低，結(jié)果造成制冷機(jī)能效比大大降低，耗能增加。在如何減小相變蓄冷材料的成核過(guò)冷度方面，研究人員做了許多工作。納米流體作為一種內(nèi)含納米粒子成核劑的新型復(fù)合相變蓄冷材料，已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)納米流體中的納米粒子可以起到成核劑的作用。在無(wú)任何外場(chǎng)的情況下，納米粒子成核劑能夠降低液體的過(guò)冷度，劉玉東等［1-4］制備的水基TiO2納米流體的過(guò)冷度最大可降低84.92%；

李新芳［5］研究了Cu-H2O納米流體的蓄冷特性，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Cu-H2O納米流體，其成核過(guò)冷度降低了78.3%。吳淑英［6］研究Al2O3-H2O納米流體過(guò)冷特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)在水中懸浮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的Al2O3納米粒子，可使過(guò)冷度降低70.9%。張學(xué)軍［7］分別把a(bǔ)-Al2O3，r-Al2O3，SiO2納米粒子添加在水中制成納米流體，研究了金屬容器內(nèi)表面的粗糙度對(duì)納米流體結(jié)晶的影響。陳穎、賈莉斯［8］利用差示掃描量熱儀，分別在不同冷卻速率下研究了TiO2納米粒子對(duì)去離子水結(jié)晶和熔化行為的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與去離子水相比，水基TiO2納米流體具有更低的過(guò)冷度和更快的結(jié)晶速率。隨著冷卻速率的增大，TiO2納米粒子對(duì)去離子水過(guò)冷度的影響增強(qiáng)，對(duì)其結(jié)晶速率的影響則減弱。其他相關(guān)文獻(xiàn)也證實(shí)了納米流體具有較低的過(guò)冷度，能夠快速成核［9-13］。

為避免納米流體受到其他異質(zhì)成核因素的影響，最好的辦法是采用無(wú)容器處理技術(shù)，即采用聲懸浮技術(shù)，使納米流體不與容器壁接觸。

在聲懸浮條件下，通過(guò)超聲波作用的納米流體過(guò)冷和成核特性尚未被深入研究。聲懸浮技術(shù)是材料無(wú)容器處理研究中采用的一種重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以在懸浮被研究對(duì)象的同時(shí)引入超聲波。目前人們對(duì)過(guò)冷度的研究常用DSC法和毛細(xì)管法，不可避免地要受到容器壁的污染和雜質(zhì)異質(zhì)成核的干擾。因此，開(kāi)展對(duì)相變蓄冷材料過(guò)冷度的研究時(shí)，避免容器壁面的干擾對(duì)開(kāi)發(fā)利用高效節(jié)能的冰蓄冷材料有著重要的指導(dǎo)意義。

本文研究了聲懸浮狀態(tài)下水基氧化石墨烯相變蓄冷納米流體的成核過(guò)冷度，并與采用容器內(nèi)相變成核過(guò)冷進(jìn)行了比較。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1納米流體配制

本實(shí)驗(yàn)采用兩步法制備納米流體，實(shí)驗(yàn)中使用的氧化石墨烯由南京先豐納米材料有限公司提供。呈二維片狀結(jié)構(gòu)，深褐色，在水中溶解后單層含量為99%以上，氧化石墨烯微片大小為1～5 μm，厚度為0.8～1.2 nm；基液為去離子水；超聲清洗器為FS-300（300 W，20 kHz），上海生析超聲波處理器。

用精密電子天平稱取少量氧化石墨烯，放入100 mL去離子水中，然后用超聲波處理器進(jìn)行超聲振蕩，其功率設(shè)置為300 W，頻率為20 kHz，調(diào)為8 s間斷模式。超聲波震蕩過(guò)程伴隨大量的熱量產(chǎn)生，在連續(xù)震蕩60 min時(shí)，納米流體的平均溫度可達(dá)80℃，靠近超聲波變幅桿的溫度會(huì)超過(guò)100℃。高溫會(huì)破壞氧化石墨烯納米顆粒表面的官能團(tuán)，使其失去親水性，易出現(xiàn)集聚沉現(xiàn)象，所以在超聲振蕩過(guò)程中要進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移，在盛放納米流體燒杯的周圍放置冰水混合物，不斷吸收超聲波產(chǎn)生的熱量。振蕩時(shí)變幅桿不能過(guò)于靠近燒杯底部，否則會(huì)導(dǎo)致底部高溫，出現(xiàn)納米顆粒聚集。實(shí)驗(yàn)表明，攪拌30 min后納米顆粒處在微米級(jí)，低溫?cái)嚢?00 min后，納米顆粒粒徑將達(dá)到納米級(jí)，其Zeta電位和粒徑尺度達(dá)到最佳狀態(tài)。制備好的氧化石墨烯納米流體呈深褐色，長(zhǎng)期靜置無(wú)沉淀。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用自行設(shè)計(jì)的單軸式超聲懸浮裝置及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)氧化石墨烯納米流體懸浮液滴的過(guò)冷度進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括了聲懸浮裝置、低溫恒溫制冷系統(tǒng)、冷媒乙二醇溶液的載冷劑系統(tǒng)以及恒溫箱的冷卻系統(tǒng)。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2顯示了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液滴穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)，分別是去離子水水滴（圖2a）和氧化石墨烯納米流體液滴（圖2b）從液相到固相的實(shí)拍照片。從圖2中可以看出：液滴在聲場(chǎng)作用下是橢球形，液滴上表面是水平狀，而下表面則處于自然下垂。液相與固相存在明顯的光澤度差異，相變之后納米流體液滴體積有微小的膨脹，并且呈現(xiàn)出上寬下窄的錐形，這主要是由于平面發(fā)射端與凹球面反射端形成的超聲場(chǎng)作用于液滴的結(jié)果。

圖2　液滴穩(wěn)定懸浮實(shí)驗(yàn)

采用自制的濃度為50 mg/100 mL的氧化石墨烯納米流體與去離子水，分別進(jìn)行了聲懸浮條件下的過(guò)冷度實(shí)驗(yàn)，乙二醇載冷劑的設(shè)定溫度為-12℃。變相曲線見(jiàn)圖3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米流體液滴過(guò)冷度為6.10℃，去離子水為8.80℃，過(guò)冷度降低了30.7%；而且納米流體液滴的成核速度非?？?，在75 s時(shí)就開(kāi)始成核，比去離子水的成核時(shí)間（295 s）提前了74.6%，大大縮短了凍結(jié)時(shí)間。

為了說(shuō)明容器壁面對(duì)過(guò)冷度的影響，還在相同條件下進(jìn)行了容器內(nèi)納米流體與去離子水的過(guò)冷度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，容器內(nèi)的納米流體過(guò)冷度為6.55℃，而聲懸浮條件下過(guò)冷度為6.10℃，后者比前者降低了6.87%。就納米流體開(kāi)始成核時(shí)間而言，容器內(nèi)為1 660 s，聲懸浮條件下為75 s，后者提前了95.5%。另外容器內(nèi)去離子水過(guò)冷度為7.84℃，小于懸浮狀態(tài)下去離子水的過(guò)冷度8.80℃，說(shuō)明接觸容器壁面會(huì)抑制去離子水本身的過(guò)冷度，這可以根據(jù)容器壁面的異質(zhì)成核作用加以解釋。另外一方面也說(shuō)明，聲懸浮對(duì)納米流體過(guò)冷度的正面影響要大于去離子水的，有望進(jìn)一步降低納米流體的過(guò)冷度。

圖3　納米流體和去離子水的相變曲線

3　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)聲懸浮技術(shù)來(lái)降低納米流體的成核過(guò)冷度，聲懸浮條件下與去離子水相比，納米流體的過(guò)冷度降低了30.7%，而且成核時(shí)間提前了74.6%。納米流體在聲懸浮下的過(guò)冷度比在容器內(nèi)的過(guò)冷度低了6.87%，成核時(shí)間提前了95.5%。

關(guān)于納米流體的過(guò)冷特性，未來(lái)可從以下幾方面展開(kāi)研究：

1）在聲懸浮條件下，對(duì)不同濃度的納米流體進(jìn)行過(guò)冷度研究，分析在超聲波的干擾下，過(guò)冷度的變化情況。

2）研究納米流體的快速成核機(jī)理，以便揭示納米流體在聲懸浮場(chǎng)中過(guò)冷度受到抑制的內(nèi)在原因，分析其影響因素，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)冷度的人為控制，為快速制冰蓄冷提供指導(dǎo)。

3）聲懸浮條件下納米流體液滴的成核除了有納米粒子異質(zhì)成核的貢獻(xiàn)，還受到超聲空化效應(yīng)的影響。聲懸浮不僅引入了聲場(chǎng)能量，還會(huì)引發(fā)一系列非線性效應(yīng)如液滴的變形、液滴的形態(tài)振蕩、表面受迫振動(dòng)、液滴旋轉(zhuǎn)等，導(dǎo)致液滴表面和內(nèi)部形成復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，進(jìn)而改變液滴的成核特性，其成核機(jī)理更加復(fù)雜，需要更深入的研究和探討。

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［2］劉玉東，李夔寧，何欽波，等.低溫納米復(fù)合相變蓄冷材料熱物性研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008（1）:105-107.

［3］何欽波，童明偉，劉玉東.低溫相變蓄冷納米流體成核過(guò)冷度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2007（4）:33-36.

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［責(zé)任編輯：吳卓］

Experimental Study on Supercooling Degree of Nanofluids Used as Cool Storage under Acoustic Levitation

ZHENG Zhaozhi1，HE Qinbo1，LIU Yudong2
（1.Heat Pump Engineering and Technology Development Center of Guangdong Universities，Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China；2.Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

The graphene oxide nanofluids（GO-H2O）was prepared using two-step method.A comparative study of the supercooling degree of nanofluids and deionized water under acoustic levitation and in container were conducted，and the result shows that，compared to the deionized water，the supercooling degree of nanofluids is reduced by 30.7%and the nucleation time is ahead of 74.6%under acoustic levitation.The supercooling degree of nanofluids under acoustic levitation is reduced by 6.87%and the nucleation time is ahead of 95.5%compared to that of in container.

acoustic levitation；ultrasonic wave；supercooling degree；nanofluids；phase change cool storage

TK124

A

1672-6138（2016）03-0014-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2016.03.003

2016-06-16

鄭兆志（1963—）男，安徽淮南人，高級(jí)工程師，研究方向：納米儲(chǔ)能材料及強(qiáng)化傳熱研究。