章學(xué)來，李躍，王章飛，賈瀟雅

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Cu納米流體真空閃蒸制冰的實(shí)驗(yàn)特性

章學(xué)來，李躍，王章飛，賈瀟雅

（上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所，上海 201306）

在去離子水中加入Cu納米顆粒，通過添加分散劑和超聲波振蕩，配制均勻分散的Cu-H2O納米流體。在100 Pa初始?jí)毫ο?，通過改變納米顆粒粒徑、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)研究均勻分散的納米流體對(duì)真空閃蒸制冰實(shí)驗(yàn)特性的影響。結(jié)果表明，水中加入納米顆粒（無分散劑，納米顆粒有沉降現(xiàn)象），可降低水過冷度，縮短相變結(jié)冰時(shí)間，而分散均勻無沉降的納米流體可顯著縮短相變時(shí)間，使過冷度降低37%；在閃蒸瞬間，納米流體對(duì)液相降溫過程幾乎沒有影響；納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，結(jié)冰時(shí)間越短，固相降溫段降溫速率越大；隨著納米顆粒粒徑減小，相變時(shí)間縮短，而固相降溫階段溫降速率幾乎相同，較低濃度時(shí)（0.05%），粒徑的改變，對(duì)納米流體過冷度影響不大，基本維持在1.5℃。

Cu納米粒子；真空；制冰；過冷度；相變

引 言

真空法制冰，具有熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，制備過程中不采用CFC或HCFC制冷劑，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)真空法制冰進(jìn)行了廣泛研究[1-6]。時(shí)競(jìng)競(jìng)等[7]在水中加入中介物，研究發(fā)現(xiàn)，氨水對(duì)真空度的要求遠(yuǎn)低于蒸餾水。馬軍等[8]通過對(duì)真空室內(nèi)下落液滴的質(zhì)量、速度、溫度建立微分方程模擬計(jì)算，明確得出應(yīng)選用小直徑噴頭及維持真空室較小低壓環(huán)境利于真空制冰。劉曦等[9]通過研究乙二醇添加劑、液體體積等對(duì)冰漿形成過程過冷態(tài)的影響，研究表明乙二醇添加劑濃度及液體體積增大，會(huì)使平均過冷度減小。劉璐等[10]建立單個(gè)鹽水液滴真空蒸發(fā)過程的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了模型的有效性，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力、液滴初始鹽分濃度及初始直徑對(duì)溫度變化影響顯著，而液滴初始溫度對(duì)真空蒸發(fā)過程影響很小。水因其相變潛熱值高，價(jià)格便宜，易獲得，而成為一種重要的蓄冷材料。但在真空制冰過程中，水存在過冷現(xiàn)象，且熱導(dǎo)率不高，含冰率低，需要在水中加入添加劑強(qiáng)化傳熱，提高結(jié) 冰率。

納米流體是以一定的方式和比例在液體中添加納米金屬顆粒或非金屬氧化物粒子而形成一種新的傳熱冷卻工質(zhì)，具有比表面積大、高導(dǎo)熱率的性能，作為新型強(qiáng)化傳熱技術(shù)已經(jīng)得到廣泛研究[11-16]。顧雪婷等[17]通過對(duì)納米流體傳熱機(jī)理、物性研究，以石墨/水、Fe3O4/水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果表明納米流體強(qiáng)化傳熱。黎陽等[18]在水/乙二醇混合基液中，添加Al2O3、MgO、ZnO顆粒配制納米流體，結(jié)果表明層流狀態(tài)下，隨著Reynolds數(shù)增大，傳熱系數(shù)不斷增大。楊波等[19]在去離子水中分別添加單壁、多壁碳納米管材料，測(cè)試分析不同碳納米材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的納米流體熱導(dǎo)率，研究表明碳納米管粒子能顯著強(qiáng)化基液工質(zhì)導(dǎo)熱性能。徐會(huì)金等[20]研究了水基納米流體在金屬泡沫內(nèi)流動(dòng)時(shí)的二次效應(yīng)，比較了不同模型對(duì)強(qiáng)化換熱效果的影響，結(jié)果表明納米顆粒使換熱性能增強(qiáng)。上述研究表明納米流體對(duì)強(qiáng)化傳熱作用明顯。

在非真空領(lǐng)域，納米流體蓄冷得到廣泛研究[21-25]。吳鵬等[26]在純水、乙二醇溶液加入納米顆粒，以浸潤理論為基礎(chǔ)，分析認(rèn)為潤濕性越好，成核效果越好。李新芳等[27]對(duì)納米流體強(qiáng)化相變蓄冷進(jìn)行數(shù)值模，研究發(fā)現(xiàn)在給定后，隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，結(jié)冰時(shí)間縮短。吳淑英等[28]對(duì)氧化鋁-水納米流體研究發(fā)現(xiàn)，流體的結(jié)冰速率得到很大提高，結(jié)冰時(shí)間大大縮短。何欽波等[29]配制了TiO2-BaCl2-H2O納米流體相變蓄冷材料，研究材料的熱物性及蓄/釋冷特性，其熱導(dǎo)率顯著提高，過冷度大大降低。Khodadadi等[30]利用數(shù)值計(jì)算模擬的方法研究了Cu-H2O納米流體的相變過程，發(fā)現(xiàn)納米流體顯示出較好的蓄/釋冷特性，結(jié)冰速率比純水明顯加快。上述研究表明納米流體作為相變蓄冷材料，可以提高結(jié)冰速率，縮短結(jié)冰時(shí)間。對(duì)于納米流體真空閃蒸蓄冷效果的研究還未見涉及。

本研究在水中添加Cu納米顆粒，輔以分散劑分散，配制均勻穩(wěn)定的Cu納米流體，基于真空閃蒸理論，將納米流體應(yīng)用于真空靜態(tài)制冰，研究納米流體對(duì)真空制冰實(shí)驗(yàn)特性的影響，為真空下納米流體噴射制冰提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

納米Cu顆粒，粒徑分別為20、50、80 nm，99.9%金屬基，粒子為球形，在阿拉丁試劑官網(wǎng)采購。去離子水，在中國試劑網(wǎng)上采購；分散劑采用黃原膠，USP級(jí)，在阿拉丁試劑官網(wǎng)采購。

電子天平型號(hào)為FA2004，精度為±0.2 mg；SY-500超聲波振蕩儀；HJ-6A型數(shù)顯磁力恒溫?cái)?拌器。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及過程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括穩(wěn)壓罐、真空泵等真空創(chuàng)建設(shè)備，小型制冷機(jī)組，熱風(fēng)機(jī)，數(shù)據(jù)采集儀，冷凝室，閃蒸室等。其中，閃蒸室為帶圓柱體空腔，外部一周有水套；數(shù)據(jù)采集儀為Agilent/安捷倫34972A型數(shù)據(jù)采集器，1次/秒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；溫度采集選用T型熱電偶，精度為±0.5℃，熱響應(yīng)時(shí)間為0.4 s；恒溫槽為上海衡平儀器廠生產(chǎn)的DC-6515型低溫恒溫槽，溫控范圍為-65～100℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1—vacuum pump; 2—small refrigerating unit; 3—pressure stabilizer; 4—condensation chamber; 5—hot air heater; 6—beaker; 7—flash chamber; 8—computer; 9—Agilent data logger; 10—low temperature circulation tank; a,b,c,d,e—vacuum valve

納米流體的配制，采用兩步法。將稱量的Cu納米顆粒加入去離子水中，輔以超聲波振蕩（模式為on：10 s，off：20 s，round：30），形成懸浮液，再將分散劑加入，繼續(xù)超聲波振蕩，重復(fù)振蕩模式3次，然后使用磁力攪拌器攪拌，獲取分散均勻穩(wěn)定性好的納米流體，靜置30 min鐘后，肉眼觀察不到明顯的沉淀聚集現(xiàn)象。分散劑采用微量黃原膠，配制納米流體50 ml，將裝有納米流體的燒杯放置閃蒸室中，準(zhǔn)備真空閃蒸制冰實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)開始，先關(guān)閉真空閥d、e，打開真空泵及制冷機(jī)組，同時(shí)將真空閥a、b打開，使穩(wěn)壓罐與冷凝室聯(lián)通成整體，待壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力100 Pa，關(guān)閉真空閥a，同時(shí)關(guān)閉真空泵。將裝有50 ml納米流體的燒杯放入閃蒸室，T型熱電偶探頭布置液體中部，待溫度達(dá)到設(shè)定的20℃時(shí)，迅速打開真空閥e，閃蒸制冰實(shí)驗(yàn)開始，制冷機(jī)組冷凝閃蒸出的水蒸氣，維持閃蒸的進(jìn)行。同時(shí)Agilent數(shù)據(jù)采集儀記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度穩(wěn)定后關(guān)閉真空閥e，進(jìn)行融冰過程。由于實(shí)驗(yàn)前閃蒸室就存有一定空間的空氣，因此系統(tǒng)最終壓力穩(wěn)定在450 Pa左右。所有實(shí)驗(yàn)工況結(jié)束后，使用熱風(fēng)機(jī)吹掃系統(tǒng)中的水，防止對(duì)設(shè)備的腐蝕。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 納米粒子存在對(duì)真空制冰過程的影響

配制2種不同的納米流體，去離子水+納米銅（未添加分散劑，只用超聲波振蕩）、銅納米流體（添加分散劑，并用超聲波振蕩），設(shè)置對(duì)照組，去離子水組。納米銅粒徑50 nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%。3種不同流體真空閃蒸下溫度變化如圖2所示，納米流體真空下閃蒸，都經(jīng)過液相降溫、液相過冷成核、相變平臺(tái)期、固相降溫階段。

圖2 各種流體真空閃蒸溫度隨時(shí)間變化曲線

在液相降溫階段，3種納米流體溫降速率基本相同，納米粒子對(duì)該階段幾乎沒有影響。分析認(rèn)為，該階段閃蒸最劇烈，水蒸氣與液態(tài)水直接接觸換熱效率很高，納米粒子對(duì)于換熱效率提高作用幾乎 很小。

在液相過冷成核階段，各納米流體過冷度值見表1。去離子水過冷度最大，為2.7℃，納米流體過冷度最小為1.7℃，比去離子水降低37%。納米顆粒加入水中，可降低過冷度，納米流體對(duì)過冷度降低效果最佳。分析認(rèn)為，納米顆粒加入，可作為水結(jié)晶的成核劑，促進(jìn)異相成核，從而降低過冷度。納米流體相較于未加分散劑的納米流體，納米顆粒在水中分散更均勻穩(wěn)定。

表1 各種流體真空閃蒸數(shù)值統(tǒng)計(jì)

相變平臺(tái)期階段，去離子水加入納米顆粒，顯著縮短相變時(shí)間，Cu納米流體相變結(jié)冰所用時(shí)間22 s左右，相比于去離子水，相變時(shí)間大大縮短。因?yàn)榧{米顆?？商岣咚臒釋?dǎo)率，使換熱效率提高，利于冰晶生長，從而縮短相變時(shí)間。

固相降溫階段，Cu-水納米流體溫降速率高于去離子水，說明納米粒子添加，強(qiáng)化水體換熱。而分散均勻的納米流體降溫速率又明顯高于Cu-水納米流體，表明納米顆粒在水中均勻分散對(duì)于強(qiáng)化傳熱效果更佳。

因此，在去離子水中加入納米顆?？山档瓦^冷度，縮短結(jié)冰時(shí)間，但總有納米顆粒沉降團(tuán)聚，而分散性好均勻穩(wěn)定的納米流體真空閃蒸制冰，可降低水過冷度37%，顯著縮短相變結(jié)冰時(shí)間。

2.2 納米流體濃度對(duì)真空制冰過程的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.07%、0.1%、0.2%的納米流體，納米銅粒徑50 nm。

觀察圖3發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體在真空下閃蒸，溫度變化趨勢(shì)基本一致。隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，相變結(jié)冰時(shí)間在不斷縮短，而且固相降溫段，降溫速率不斷增大，因?yàn)榧{米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，單位水體包含更多的納米顆粒，提高了流體熱導(dǎo)率，強(qiáng)化水體內(nèi)部換熱，提高結(jié)冰速率。觀察表2可發(fā)現(xiàn)，各種濃度納米流體的過冷度基本維持在2℃，均小于去離子水，對(duì)減小過冷度有明顯的作用。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體真空閃蒸溫度變化曲線

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體真空閃蒸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 納米Cu粒子不同粒徑對(duì)真空制冰過程的影響

配制粒徑分別為20、50、80 nm的納米流體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%，各納米流體真空閃蒸下溫度變化曲線如圖4所示。

在圖4中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.05%的不同粒徑的納米流體，固相降溫段溫降速率基本相同，而對(duì)于平臺(tái)期時(shí)間，隨著納米粒徑的減小，時(shí)間逐漸縮短，粒徑20 nm時(shí)，相變平臺(tái)期8 s。分析認(rèn)為，質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，粒徑越小的納米流體所含的顆粒數(shù)越多，給水結(jié)晶提供更多的成核點(diǎn)，而且各成核點(diǎn)間距相對(duì)較近，使冰晶接連成片，縮短相變時(shí)間。各納米流體過冷度也基本穩(wěn)定在1.5℃，粒徑變化對(duì)過冷度影響不大，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

圖4 不同粒徑納米流體真空閃蒸溫度變化（0.05%）

表3 不同粒徑納米流體真空閃蒸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（0.05%）

在圖5中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的不同粒徑的Cu納米流體，也有與圖4相同的規(guī)律，隨著納米粒徑的減小，相變時(shí)間不斷縮短。對(duì)比圖4、圖5發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體，結(jié)冰速率明顯提高，使結(jié)冰時(shí)間大大縮短，這與2.2節(jié)所得結(jié)論一致。

對(duì)比表3、表4發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的納米流體的過冷度相對(duì)較小且更穩(wěn)定。分析認(rèn)為，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，顆粒間的吸引力小，在水中更易于分散，顆粒團(tuán)聚的可能性大大降低，使納米流體整體更均勻穩(wěn)定。

圖5 不同粒徑納米流體真空閃蒸溫度變化（0.1%）

表4 不同粒徑納米流體真空閃蒸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（0.1%）

3 結(jié) 論

采用Cu納米顆粒配制納米流體，通過改變納米流體濃度、納米顆粒粒徑研究納米流體在真空下閃蒸制冰的實(shí)驗(yàn)特性，結(jié)論如下。

（1）分散均勻穩(wěn)定的納米流體可顯著縮短結(jié)冰時(shí)間，降低過冷度達(dá)37%。

（2）納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，固相降溫階段溫降速率越大，結(jié)冰時(shí)間越短。

（3）粒徑越小，相變時(shí)間越短，低濃度時(shí)納米顆粒粒徑改變，納米流體過冷度幾乎不受影響。

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Experimental characteristics of ice preparationCu-nano fluid’s vacuum flash

ZHANG Xuelai, LI Yue, WANG Zhangfei, JIA Xiaoya

(Institute of Cool Thermal Storage Technology, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Cu nanoparticles were added into the deionized water with dispersant and ultrasonic wave to prepare the dispersive Cu-H2O nano fluid. The effect of nano fluid on the characteristics of vacuum flash ice preparation by changing the particle size and the mass fraction of nano fluid under the 100 Pa was explored experimentally. As the results showed, adding nano particles into water without dispersant (nano particles have settling phenomenon), can reduce the supercooling degree of water, and shorten the time of phase change. However the uniform dispersion of nano fluid without settlement can significantly shorten the time of phase change, and the supercooling degree is reduced by 37%. At the initial flash moment, nano fluid has little effect on the cooling process of liquid phase. The larger the mass fraction of the nano fluid, the shorter the icing time, and the greater the cooling rate of the solid phase. The phase transformation time is shortened with the decrease of the particle size, but the temperature drop rate is almost the same in the solid phase. The change of particle size has little effect on the supercooling degree of the solution, which is basically maintained at 1.5℃ at lower concentration.

Cu nanoparticles; vacuum; ice production; supercooling degree; phrase change

10.11949/j.issn.0438-1157.20161525

TK 02

A

0438—1157（2017）06—2563—06

章學(xué)來（1964—），男，教授。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50976064，51376115）。

2016-10-31收到初稿，2017-02-15收到修改稿。

2016-10-31.

Prof. ZHANG Xuelai, xlzhang@shmtu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (50976064, 51376115).