纳米材料在制冷行业中的应用研究进展

王 燕，王 鹏，王凯明，张霞玲，张美琼

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834003)



纳米材料在制冷行业中的应用研究进展

王 燕，王 鹏，王凯明，张霞玲，张美琼

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834003)

纳米材料由于其具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应四种特性，因此，被用作添加剂时可以有效地改善润滑油原有的部分物理性质及化学性质，并能获得具有优良质量的产品。近年来，在制冷行业中，纳米材料的用途也在逐渐成为国内外研究的热点，因此本文对纳米材料在制冷行业中的应用现状及前景作了一个较为系统的阐述。

纳米材料；制冷行业；应用

纳米材料是20世纪80年代初发展起来的一种高新材料。纳米材料是指粒度在1～100 nm之间的粒子的总称，故纳米材料又称为超细微粒材料，属于胶体粒子大小的范畴[1]。这类材料由于其特殊的表面效应和尺寸等基本特性，因此具有了一些独特的物理和化学性质，当其加入到其它物质中时会改变该物质的一些固有属性，激化物质的活性，为其增加一些新的特性，因而具有广泛的应用前景，从而被誉为“跨世纪的新材料”。

目前节能环保是世界各国的重要课题之一，在制冷行业中，研究开发能源利用率高，资源消耗低的制冷设备所涉及的问题成为了制冷行业最为重要的工作内容。纳米材料作为添加剂可改善物质原有性质，因此纳米材料在制冷行业中的应用也在逐渐被开发。本文主要针对把纳米材料作为添加剂后用在制冷行业中所改善的性能方面作了一个简要的介绍。

1 纳米材料的特性

1.1 纳米材料的表面与界面效应

纳米材料的表面与界面效应是指纳米材料的表面原子数目与总原子数目之比会随着纳米材料粒径的变小而迅速增大后所引起的性质上的变化。随着纳米材料粒径的减小，纳米材料的表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原子，这样就会有许多剩余的键力，就会导致易与其它原子结合而形成相对稳定的状态[2]。

1.2 纳米材料的小尺寸效应(体积效应)

纳米材料的小尺寸效应，也叫纳米材料的体积效应是指当纳米材料粒径的大小与光波的波长、传导电子的物质波长以及超导态的相干长度或透射深度等特征尺寸相当或者比它们更小时，它的周期性边界条件将被破坏，从而使其本身的一些性能随着纳米粒径的减小而发生显著的变化[2]。

1.3 纳米材料的量子尺寸效应

纳米材料的量子尺寸效应是指当纳米材料颗粒尺寸下降到一定值时，金属粒子费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级，并且纳米半导体材料中存在着不连续的最高被占据的分子轨道能级(HOMO)和最低未被占据的分子轨道能级(LUMO)，并且能隙变宽的现象[3]。

1.4 纳米材料的宏观量子隧道效应

纳米材料粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中磁通量等也具有隧道效应，它们也可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，故这种被称为纳米材料的宏观量子隧道效应[4]。

以上四种纳米材料的效应是纳米材料的基本特性，它使得纳米材料呈现出许多特异的物理性质、化学性质，适当添加纳米材料可以改变物质原有的一些特性，从而使纳米粒子在许多方面得到了应用。本文主要介绍纳米材料在改善制冷系统性能方面的应用作一个简要的介绍。

2 纳米材质在制冷行业中的应用

纳米材料应用于制冷行业需要以其在冷冻机油中的稳定性和分散性为前提，其次是必须保证纳米材料在矿物型冷冻机油-制冷剂体系中与原制冷系统不会发生任何地反应。纳米材料的添加将会改变含油制冷剂的一些物性性质，如黏度、表面张力、饱和蒸气压等。目前已有对纳米材料应用于制冷行业中进行的相关研究，本节就主要对纳米材料在制冷行业的应用做一概述。

2.1 改善制冷剂与冷冻机油的相溶性

制冷剂与冷冻机油的相溶性被认为是决定制冷系统特性和压缩机寿命至关重要的问题。在制冷系统中，制冷剂要与冷冻机油相互接触，要求二者之间应具有一定的溶解性。目前由于有些制冷剂的化学性质较强，与传统的矿物型冷冻机油相溶性较差，目前主要是使用合成型冷冻机油，但合成型冷冻机油具有较强的吸水性，且价格较高。因此，为了降低压缩机生产成本，替代合成型冷冻机油，国内外开展了利用纳米材料改善制冷剂与矿物型冷冻机油相溶性的研究，研究结果表明，特定的纳米材料能够有效地改善极性较强制冷剂与矿物型冷冻机油之间的相溶性。

郝斌[5]在其研究过程中发现，纳米材料能够用于强化矿物型冷冻机油的化学极性，从而改善了极性较强制冷剂与矿物型冷冻机油之间的相溶性。且采用纳米材料后，制冷系统的回油性能也变好了。

雍翰林等[6]在研究过程中发现，冷冻机油在添加了特定的纳米材料粒子后，与原有制冷系统中的制冷剂相溶性良好，热工性能要优于原系统，系统运行状况稳定。

王瑞祥等[7-8]开展了关于矿物型纳米冷冻机油与氢氯氟烃类制冷剂相溶性的研究，研究结果表明，经过合适的匹配后，矿物型纳米冷冻机油与氢氯氟烃类制冷剂之间的溶解性得到改善，同时制冷系统的效率也得到了一定程度的提高。

CN 1473916A[9]中也介绍了一种改善矿物型冷冻机油与氢氯氟烃类类制冷剂之间相溶性的方法。加入特定的纳米材料粒子后，系统具有良好的润滑性能、电绝缘性能和稳定性能。

利用纳米材料的特性来改善极性较强的制冷剂和矿物型冷冻机油的相溶性，将是对制冷行业节能降耗、提高效率的重要手段之一。

2.2 改善传热性能

纳米材料添加剂与流体混合后可提高该流体的传热性能，提高系统的效率。

Choi等[10]通过试验将金属或非金属的颗粒按一定的比例加入到液体中制备出的纳米流体，试验结果表明该方法显著提高了原流体的导热系数，强化了对流传热。

姜未汀等[11]通过分析对比，最终发现纳米制冷剂的导热系数主要由纳米材料的粒径、纳米材料和制冷剂的导热系数以及纳米材料和制冷剂的体积分数3个因素所决定的，其中纳米材料的粒径越小，纳米材料和制冷剂的体积分数越大则纳米制冷剂的导热系数越大。

毕胜山等[12]通过研究发现，与纯流体相比，纳米流体的导热系数要大，且增大幅度与纳米材料的颗粒浓度呈正比。

由资料查询可知，纳米材料可以改善流体的传热性能的原因主要在于两个方面，其中一方面是纳米材料增加了流体的表面积及热容量，从而使流体的导热系数增大；而另一方面是纳米材料之间、纳米材料与流体之间、纳米材料与壁面之间相互频繁的碰撞也会强化传热[13]。

2.3 改善摩擦性能

纳米材料添加剂可有效地改善摩擦件之间的摩擦，特别是在降低摩擦系数，提高耐磨性能方面更具有优异的特性，并对摩擦件表面进行一定程度的填补和修复作用。

郭志光等[14]通过实验将纳米材料添加剂溶于润滑油基础油中得到分散稳定的悬浮液，通过分析发现润滑油的摩擦性能得到良好的改善。

王晓丽等[15]通过试验发现纳米材料作为添加剂能明显地降低润滑油的摩擦系数(降低34%)和磨斑直径(降低32%)。这是由于纳米材料在摩擦过程中，能够在摩擦件表面形成一层保护膜的缘故。

张立等[16]通过试验发现特点的纳米材料粒子可以提高基础油的极压抗磨性能。经过分析发现是由于在摩擦过程中纳米铜粒子在摩擦件表面形成了沉积膜，与基础油中的活性元素形成的化学反应膜产生协同作用，从而表现出良好的极压抗磨性能。

纳米材料可以改善摩擦性能的原因，目前有3种说法。第一种是Homola和Israeleachvili等[17]认为的在于摩擦件摩擦表面粗糙度的改善和是否能形成边界润滑膜。第二种是张余平等[18]认为的滚动轴承作用。第三种是乌学东等人[19]提出的是由于在摩擦过程中，纳米材料形成了纳米膜和扩散层或渗透层，二者协同作用降低磨损。

3 结 语

纳米材料的引入对制冷行业产生了深远地影响，纳米材料作为添加剂加入到冷冻机油中，可有效地改善与极性较强的制冷剂与矿物型冷冻机油的相溶性，改变了极性较强制冷剂对合成型冷冻机油的依赖性；同时纳米材料的加入可以改善制冷系统的传热性能、提高系统效率以及改善制冷压缩机摩擦件的磨耗情况。

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[3] 林桂凤.纳米氧化铝/有机改性硅氧烷复合溶胶在羊毛防毡缩整理中的应用[D].上海:东华大学硕士论文，2007.

[4] 袁子龙.水基磁性液体的制备工艺及热磁性能研究[D].广州:广东工业硕士论文，2011.

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[9] 王瑞祥,解国珍,李俊明,等.改善冷冻机油与制冷剂相溶性的方法及利用该方法制备的冷冻机油[P].CN 1473916A，2004.[10]Choi Stephen US.Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles[J].American Society of Mechanical Engineers, Fluids Engineering Division (Publication) FED,1995,341:99-105.

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Research Progress on Application of Nano-materials Used in the Refrigeration Industry

WANGYan,WANGPeng,WANGKai-ming,ZHANGXia-ling,ZHANGMei-qiong

(PetroChina Karamay Petrochemical Company Limited, Xinjiang Karamay 834003, China)

because Nano-materials have four characteristics of particular surface and interface effect, small size effect, quantum size effect and macroscopic quantum tunneling effect, it can effectively improve the part of the physical and chemical properties of lubricating oil, access to excellent quality of the products.In recent years, in the refrigeration industry, the purpose of the nano-materials at home and abroad has been gradually become a hot research topic.The research progress of application of nano-materials in the refrigeration industry was reviewed.

nano-materials; refrigeration industry; application

王燕(1987-)，女，工程师，2012年毕业于西南石油大学化学工艺专业，工学硕士，现从事炼油工艺研究及油品开发。

TB61

A

1001-9677(2016)019-0020-03