声悬浮条件下相变蓄冷纳米流体过冷度实验研究

郑兆志，何钦波，刘玉东

（1.顺德职业技术学院 广东高校热泵工程技术开发中心，广东 佛山 528333；2.重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044）

科技与应用

声悬浮条件下相变蓄冷纳米流体过冷度实验研究

郑兆志1，何钦波1，刘玉东2

（1.顺德职业技术学院 广东高校热泵工程技术开发中心，广东 佛山 528333；2.重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044）

采用两步法制备了氧化石墨烯纳米流体，对容器内和声悬浮条件下氧化石墨烯纳米流体和去离子水的过冷度进行了对比研究，声悬浮条件下与去离子水相比，纳米流体的过冷度降低了30.7%，而且成核时间提前了74.6%。纳米流体在声悬浮下的过冷度比在容器内的过冷度低了6.87%，成核时间提前了95.5%。

声悬浮；超声波；过冷度；纳米流体；相变蓄冷

相变蓄冷技术是实现用电负荷“移峰填谷”的有效手段，目前因蓄冷材料相变成核时存在较大的过冷度，势必要求制冷机的蒸发温度更低，结果造成制冷机能效比大大降低，耗能增加。在如何减小相变蓄冷材料的成核过冷度方面，研究人员做了许多工作。纳米流体作为一种内含纳米粒子成核剂的新型复合相变蓄冷材料，已被实验证实纳米流体中的纳米粒子可以起到成核剂的作用。在无任何外场的情况下，纳米粒子成核剂能够降低液体的过冷度，刘玉东等［1-4］制备的水基TiO2纳米流体的过冷度最大可降低84.92%；

李新芳［5］研究了Cu-H2O纳米流体的蓄冷特性，质量分数为1.0%的Cu-H2O纳米流体，其成核过冷度降低了78.3%。吴淑英［6］研究Al2O3-H2O纳米流体过冷特性，结果发现通过在水中悬浮质量分数为0.2%的Al2O3纳米粒子，可使过冷度降低70.9%。张学军［7］分别把a-Al2O3，r-Al2O3，SiO2纳米粒子添加在水中制成纳米流体，研究了金属容器内表面的粗糙度对纳米流体结晶的影响。陈颖、贾莉斯［8］利用差示扫描量热仪，分别在不同冷却速率下研究了TiO2纳米粒子对去离子水结晶和熔化行为的影响。实验结果表明，与去离子水相比，水基TiO2纳米流体具有更低的过冷度和更快的结晶速率。随着冷却速率的增大，TiO2纳米粒子对去离子水过冷度的影响增强，对其结晶速率的影响则减弱。其他相关文献也证实了纳米流体具有较低的过冷度，能够快速成核［9-13］。

为避免纳米流体受到其他异质成核因素的影响，最好的办法是采用无容器处理技术，即采用声悬浮技术，使纳米流体不与容器壁接触。

在声悬浮条件下，通过超声波作用的纳米流体过冷和成核特性尚未被深入研究。声悬浮技术是材料无容器处理研究中采用的一种重要的实验技术，可以在悬浮被研究对象的同时引入超声波。目前人们对过冷度的研究常用DSC法和毛细管法，不可避免地要受到容器壁的污染和杂质异质成核的干扰。因此，开展对相变蓄冷材料过冷度的研究时，避免容器壁面的干扰对开发利用高效节能的冰蓄冷材料有着重要的指导意义。

本文研究了声悬浮状态下水基氧化石墨烯相变蓄冷纳米流体的成核过冷度，并与采用容器内相变成核过冷进行了比较。

1　实验部分

1.1纳米流体配制

本实验采用两步法制备纳米流体，实验中使用的氧化石墨烯由南京先丰纳米材料有限公司提供。呈二维片状结构，深褐色，在水中溶解后单层含量为99%以上，氧化石墨烯微片大小为1～5 μm，厚度为0.8～1.2 nm；基液为去离子水；超声清洗器为FS-300（300 W，20 kHz），上海生析超声波处理器。

用精密电子天平称取少量氧化石墨烯，放入100 mL去离子水中，然后用超声波处理器进行超声振荡，其功率设置为300 W，频率为20 kHz，调为8 s间断模式。超声波震荡过程伴随大量的热量产生，在连续震荡60 min时，纳米流体的平均温度可达80℃，靠近超声波变幅杆的温度会超过100℃。高温会破坏氧化石墨烯纳米颗粒表面的官能团，使其失去亲水性，易出现集聚沉现象，所以在超声振荡过程中要进行热量转移，在盛放纳米流体烧杯的周围放置冰水混合物，不断吸收超声波产生的热量。振荡时变幅杆不能过于靠近烧杯底部，否则会导致底部高温，出现纳米颗粒聚集。实验表明，搅拌30 min后纳米颗粒处在微米级，低温搅拌200 min后，纳米颗粒粒径将达到纳米级，其Zeta电位和粒径尺度达到最佳状态。制备好的氧化石墨烯纳米流体呈深褐色，长期静置无沉淀。

1.2实验装置

实验使用自行设计的单轴式超声悬浮装置及实验系统对氧化石墨烯纳米流体悬浮液滴的过冷度进行研究。实验系统如图1所示，整个系统包括了声悬浮装置、低温恒温制冷系统、冷媒乙二醇溶液的载冷剂系统以及恒温箱的冷却系统。

图1　实验系统示意图

2　实验结果与分析

图2显示了实验过程中液滴稳定悬浮的状态，分别是去离子水水滴（图2a）和氧化石墨烯纳米流体液滴（图2b）从液相到固相的实拍照片。从图2中可以看出：液滴在声场作用下是椭球形，液滴上表面是水平状，而下表面则处于自然下垂。液相与固相存在明显的光泽度差异，相变之后纳米流体液滴体积有微小的膨胀，并且呈现出上宽下窄的锥形，这主要是由于平面发射端与凹球面反射端形成的超声场作用于液滴的结果。

图2　液滴稳定悬浮实验

采用自制的浓度为50 mg/100 mL的氧化石墨烯纳米流体与去离子水，分别进行了声悬浮条件下的过冷度实验，乙二醇载冷剂的设定温度为-12℃。变相曲线见图3，实验结果表明，纳米流体液滴过冷度为6.10℃，去离子水为8.80℃，过冷度降低了30.7%；而且纳米流体液滴的成核速度非常快，在75 s时就开始成核，比去离子水的成核时间（295 s）提前了74.6%，大大缩短了冻结时间。

为了说明容器壁面对过冷度的影响，还在相同条件下进行了容器内纳米流体与去离子水的过冷度实验，结果表明，容器内的纳米流体过冷度为6.55℃，而声悬浮条件下过冷度为6.10℃，后者比前者降低了6.87%。就纳米流体开始成核时间而言，容器内为1 660 s，声悬浮条件下为75 s，后者提前了95.5%。另外容器内去离子水过冷度为7.84℃，小于悬浮状态下去离子水的过冷度8.80℃，说明接触容器壁面会抑制去离子水本身的过冷度，这可以根据容器壁面的异质成核作用加以解释。另外一方面也说明，声悬浮对纳米流体过冷度的正面影响要大于去离子水的，有望进一步降低纳米流体的过冷度。

图3　纳米流体和去离子水的相变曲线

3　结论

本实验通过声悬浮技术来降低纳米流体的成核过冷度，声悬浮条件下与去离子水相比，纳米流体的过冷度降低了30.7%，而且成核时间提前了74.6%。纳米流体在声悬浮下的过冷度比在容器内的过冷度低了6.87%，成核时间提前了95.5%。

关于纳米流体的过冷特性，未来可从以下几方面展开研究：

1）在声悬浮条件下，对不同浓度的纳米流体进行过冷度研究，分析在超声波的干扰下，过冷度的变化情况。

2）研究纳米流体的快速成核机理，以便揭示纳米流体在声悬浮场中过冷度受到抑制的内在原因，分析其影响因素，以实现对过冷度的人为控制，为快速制冰蓄冷提供指导。

3）声悬浮条件下纳米流体液滴的成核除了有纳米粒子异质成核的贡献，还受到超声空化效应的影响。声悬浮不仅引入了声场能量，还会引发一系列非线性效应如液滴的变形、液滴的形态振荡、表面受迫振动、液滴旋转等，导致液滴表面和内部形成复杂的非稳态流动，进而改变液滴的成核特性，其成核机理更加复杂，需要更深入的研究和探讨。

［1］LIU Y D，ZHOU Y G，TONG M W，et al.Experimental study of thermal conductivity and phase change performance of nanofluids PCMs［J］.Microfluidics and Nanofluidics，2009，7（4）:579-584.

［2］刘玉东，李夔宁，何钦波，等.低温纳米复合相变蓄冷材料热物性研究［J］.工程热物理学报，2008（1）:105-107.

［3］何钦波，童明伟，刘玉东.低温相变蓄冷纳米流体成核过冷度的实验研究［J］.制冷学报，2007（4）:33-36.

［4］HE Q，WANG S，TONG M，et al.Experimental study on thermophysical properties of nanofluids as phase-change material（PCM）in low temperature cool storage［J］.Energy Conversion and Management，2012，64:199-205.

［5］李新芳，朱冬生.纳米流体强化相变蓄冷特性的实验研究［J］.材料导报，2009，23（3）:11-16.

［6］WU S，ZHU D，LI X，et al.Thermal energy storage behavior of Al2O3-H2O nanofluids［J］.Thermochim Acta，2009，483:73-77.

［7］ZHANG X J，WU P，QIU L M，et al.Analysis of the nucleation of nanofluids in the ice formation process［J］.Energy Conversion and Management，2010，51:130-134.

［8］CHEN Y，JIA L S，MO S P.Experimental Investigation of the Crystallization Process of Nanofluid with a DSC Technique［J］.Journal of South east University（English Edition），2010，26（2）:359-363.

［9］贾莉斯，陈颖，莫松平.二氧化钛纳米流体的固液相变特性［J］.工程热物理学报，2011，32（11）:1913-1916.

［10］李娜，马振魁.利用纳米粒子强化微乳液体系HCFC141b水合物的生成［J］.科学通报，2011，56 （22）:1846-1853.

［11］WANG L Q，FAN J.Nanofluids Research:Key Issues ［J］.Nanoscale Res Lett，2010（5）:1241-1252.

［12］WANG J F，XIE H Q，LI Y，et al.PW based phase change nanocomposites containing c-Al2O3［J］.Therm Anal Calorim，2010，102（2）:709-713.

［13］SYLVAIN D，ERIC M，AUDREY L，et al.Influence of Particle Size on Ice Nucleation and Growth During the Ice-Templating Process［J］.J.Am.Ceram.Soc.，2010，93（9）:2507-2510.

［责任编辑：吴卓］

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，Foshan 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

郑兆志（1963—）男，安徽淮南人，高级工程师，研究方向：纳米储能材料及强化传热研究。