《納米流體冰漿穩定性和過冷度的研究進展》論文發表期刊：《河南科技》；發表周期：2021年01期

《納米流體冰漿穩定性和過冷度的研究進展》論文作者信息：劉軍軍（1989—），男，工學碩士，碩士在讀，研究方向：納米流體冰漿的制備及特性分析。

　　摘要：相變蓄冷材料因具有儲能密度大、溫度波動跨度小、安全環保無毒、價格較低等優點而受到廣泛關注。冰漿作為一種相變蓄冷材料，具有化學性質穩定、易于加工獲得、安全環保、流動換熱性能好、相變潛熱大等特點，因此，探討納米流體冰漿穩定性和過冷度具有重要意義。本文簡述了納米相變材料對節約能源的重要意義，對納米流體冰漿穩定性和過冷度的研究進展進行綜述，并根據研究總結了影響納米流體冰漿穩定性和過冷度的相關因素。

　　關鍵詞：相變材料;納米流體冰漿;穩定性;過冷度

　　Abstract: Phase change cold storage materials (PCM) have attracted wide attention due to their advantages of high energy storage density, small temperature fluctuation span, safety, environmental protection, non-toxic and low price.

　　As a phase change material, ice slurry has the characteristics of stable chemical properties, easy processing, safety and environmental protection, good flow and heat transfer performance, large phase change latent heat and so on Therefore, it is of great significance to explore the stability and supercooling degree of nano fluid ice slurry. In this paper, the importance of nano phase change materials to energy saving was briefly described, and the research progress on the stability and supercooling of nano fluid ice slurry was reviewed. According to the research, the related factors affecting the stability and supercooling of nano fluid ice slurry were summarized.

　　Keywords: phase change materials ; nanofluid ice slurry; stability; super-cooling degree

　　隨著我國人民生活質量水平不斷提高和對舒適家居環境的不斷追求，空調熱能耗總量占我國能源消費總量的權重比例逐漸增加。為了有效節約能源，相變蓄冷技術逐漸被應用于空調供熱系統中。相變蓄冷材料具有儲能密度大、溫度波動跨度小、安全環保無毒、價格較低等優點[1，因此，近年來日益受到廣泛關注。而冰漿作為一種相變蓄冷材料，是一種由眾多微小白色透明的冰晶塊狀顆粒組成的固液兩相混合的溶液，其微小冰晶粒徑般不超過1mm。由于其具有化學性質穩定、易于加工獲得、安全環保、流動換熱性能好、相變潛熱大等特點，因此，可大大提高冰漿冷量的平均輸送量和密度，降低冷量泵送泵功率，減小輸送管道和相變換熱器的使用尺寸，節省成本和占地空間。由于冰漿的優良儲冷和傳熱特性，因此，其被廣泛應用于工業空調設備供冷、礦井設備降溫、食品設備冷凍和原料保鮮、消防設備滅火、醫療設備冷卻2等諸多方面。

　　本文旨在對納米流體冰漿的穩定性和過冷度的研究進展進行綜述，并對影響納米流體冰漿的穩定性和過冷度的相關因素進行分析討論。

　　1穩定性研究進展

　　納米流體冰漿的穩定性至關重要，因為其不僅直接或間接地影響冰漿的其他熱力學物理性能，而且直接關系到其能否在實際工業生產和生活中得到廣泛應用。直接影響納米流體分散穩定性的影響因素有流體分散穩定劑的主要種類和使用濃度、酸堿度、超聲振蕩等。

　　國內外對新型納米流體的穩定性問題進行了諸多深人的研究，Moldoveanu等人將A1，0，和Si0，納米顆粒加入水中，經過充分混合和超聲處理，再經過較長時間的靜置處理，納米流體的分散穩定性非常好1)。凌智勇、黃躍濤等人通過添加表面活性劑制備了Cu-H，0和Z02-H0納米流體，研究了十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和辛基苯基聚氧乙烯醚等表面活性劑對Cu-H，0和Zr02-H，0納米流體分散穩定性的影響，并利用分子動力學方法計算出不同表面活性劑分子與CulZO，顆粒表面的相互作用能。結果發現，添加表面活性劑可較大程度地提升納米流體的穩定性，而尤以添加十二烷基苯磺酸鈉的效果最為明顯，計算結果也顯示十二烷基苯磺酸鈉分子與Cu/zro，間的吸附作用最強"。馮明、張海燕等人利用Ze-

　　ta電位、紫外可見光譜以及沉淀物照片捕捉技術來研究石墨烯納米流體的穩定性，探究了石墨烯納米流體pH值、超聲粉碎時間以及基液對石墨烯納米流體穩定性的影響，并且還測定了石墨烯納米流體的導熱系數，研究了溫度、濃度對石墨烯-水納米流體導熱系數的影響[5)。

　　對納米流體分散穩定性的研究，研究人員先后進行了大量實驗，取得了一定的成果。通過對這些研究進行分析，筆者總結了各種因素對納米流體分散穩定性產生影響的研究結果：超聲震蕩和流體酸堿度對整個納米流體的分散穩定性都具有一定的直接影響，并在某一特定條件下流體穩定性達到最佳;分散劑的適量添加有利于提高納米流體的分散穩定性，但過量的分散劑會直接造成流體穩定性大大降低。

　　對納米流體穩定性的研究，國內外研究者已經做了大量的工作，然而，將納米流體制成冰漿，并對其穩定性進行研究的則少之又少。目前，對納米流體冰漿穩定性的實驗研究比較少，理論還不夠完善，還需要國內外的研究人員進行深入探索。

　　2過冷度研究進展

　　2.1 納米顆粒添加劑

　　隨著納米流體技術的不斷飛速發展，納米級流體材料可以降低流體的過冷度，這引起了相關研究技術人員的高度關注。Munyalo等人對二水氯化鋇納米流體進行了一項實驗性的研究，通過添加不同質量分數的Mgo和MWCNTs納米粒子，研究人員發現：分別加入1%質量分數的Mgo和MWCNTs可以使二水氯化鋇的過冷度分別同時降低85%和90%6，Y.D.Liu等人對水基氧化石墨烯納米流體的成核反應速率和流體過冷度進行了深入研究。結果發現：過冷度隨著該流體體積濃度的相應增加而降低，最大降低幅度超過74%，Liu Yudong等人對質量分數為0.03%的氧化石墨烯納米流體和去離子水液滴進行了多次成核反應實驗，研究其實際過冷度和其他成核反應機理。結果表明：納米液滴的過冷度明顯低于去離子水液滴的實際過冷度[8)

　　通過以上研究可知，添加了納米粒子的納米流體的過冷度明顯低于去離子水的過冷度，而且納米流體的過冷度降低幅度明顯，降低幅度均在50%以上，表明納米顆粒添加劑可以明顯改善納米流體的過冷度。

　　2.2表面活性劑

　　目前，降低流體過冷度的有效方法之一就是在流體中添加表面活性劑。鄭欽月、章學來等人分別以陰離子型十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、陽離子型十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、非離子型碳納米管水分散劑(TNWDIS)

　　兩性型無水甜菜堿(DESB)等作為適用于納米A1，0、納米Fe，0，、納米Tio，及MWCNT等冰漿的分散劑，在真空條件下制取冰漿。研究發現：過冷度變化受不同工質類型表面活性劑的影響較大，當添加制冰工質為納米四氧化三鐵，CTAB為表面活性劑時，過冷度達到最小，為0.55℃，較蒸餾水減少了89.28%。章學來、鄭欽月等人利用電鏡掃描法、紫外分光光度法及烘干稱重法對納*TiO，流體的分散穩定性進行了綜合評價，研究了表面活性劑種類及濃度對其分散穩定性的影響。結果表明：表面活性劑類型對納米Ti0，流體分散穩定性的影響很大;表面活性劑濃度是影響真空閃蒸制冰系統壓力及閃蒸率的重要因素，系統壓力及閃蒸率均隨著表面活性劑濃度的增大而增大1。

　　綜上所述，表面活性劑的加入能夠顯著降低在制冰過程中納米流體的過冷度。雖然降低的幅度各有不同，但均有較高程度的降低。所加入表面活性劑的種類、濃度對降低過冷度有不同的效果，這可能與不同類型的表面活性劑對降低納米流體冰漿的過冷度的作用機理有關，目前，尚沒有此相關作用機理的研究報道。

　　2.3表面粗糙度

　　對容器降低過冷度影響因素的分析研究，目前除了考慮添加表面活性劑這個影響因素外，還有一個重要的因素，即增加容器表面的物理粗糙度。Songping Mo等人研究了不同納米流體顆粒和塑料容器表面粗糙度對納米流體過冷度的綜合作用。結果表明：在相同納米粒子濃度下，玻璃容器中納米流體的過冷度遠遠高于塑料容器，并且流體過冷度隨著粒子濃度的不斷增加而逐漸減小。同時，闡述了不同納米粒子與塑料容器表面粗糙度對納米流體的相對影響，納米粒子濃度低時，過冷度主要受容器表面粗糙度大小的影響;納米粒子濃度高時，過冷度主要受納米粒子成核的速度影響[)。

　　根據以上研究可知，容器粗糙度確實是影響納米流體冰漿過冷度的一個重要因素，粗糙度越高，越有利于納米粒子在容器表面的結晶成核，需要成核的臨界能也就越低，納米流體冰漿的過冷度越低。此外，其他影響因素如納米粒子添加劑與容器表面粗糙度在降低過冷度方面有一定的協同作用，然而，對其綜合影響的本質因素卻尚未得知，需要研究人員去研究與探索。

　　莫松平等學者采用兩步法制備納米流體，選擇兩種不同材料的納米流體的容器，并對不同容器中納米流休的凝固相變過冷度進行測試，探討容器表面對納米流體相變過冷特性的作用，分析受容器導熱系數影響的納米流體的降溫速率，容器表面的接觸角和粗糙度等參數因素對納米流體過冷特性的影響，并確定上述參數中影響納米流體過冷度的主要因素[2)

　　3結語

　　本文簡述了納米相變材料對節約能源的重要意義，總結了影響納米流體冰漿穩定性和過冷度的相關因素。通過總結可知，對納米顆粒和表面活性劑能降低納米流體冰漿過冷度的本質因素尚未清楚，對納米顆粒與表面活性劑的選擇使用也尚沒有一個統一的標準，并且對于容器粗糙度在降低納米流體冰漿過冷度方面的探索也少之又少，這些問題需要研究人員進一步進行深入探索和研究。

　　參考文獻：

　　「11 HAZIR H，BATOOL M，OSORIO FJ B，et al.Recent developments in phase change materials for energy storage applica-tions：A review[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2019(2)：491-523.

　　[2]宋文吉，馮自平，肖睿.冰漿技術及其應用進展[J].新能源進展，2019(2)：129-141.

　　[3]MOLDOVEANU G M，HUMINIC G，MINEA A A，et al.Experimental study on thermal conductivity of stabilized Al，0，and Si0，nanofluids and their hybrid[J].International Journal of Heat&Mass Transfer，2018(12)：450-457.

　　[4]凌智勇，黃躍濤，張忠強，等，表面活性劑對Cu-H，0和Zro，-H，0納米流體穩定性的影響[J]功能材料，2015(10)：10100-10103.

　　[5]馮明，張海燕，林錦，等，微波固相剝離制備石墨烯及其納米流體的穩定性[J].材料科學與工程學報，2014(5)：671-677.

　　[6]MUNYALO Jotham Muthoka，ZHANG Xualai，XU Xiaofeng.Experimental investigation on supercooling，thermal conductivity and stability of nanofluid based composite phase change material[J].Journal of Energy Storage，2018(6)：47-55.

　　[7]LIU Yudong，WANG Jiangqing，SU Chuangjian，et al.Nucleation rate and supercooling degree of water-based graphene oxide nanofluids[J].Applied Thermal Engineering，2017(3)：1226-1236.

　　[8]LIU Yudong，GAO Yongkun，WANG Jiangqing，et al.Nucleation mechanism of nanofluid drops under acoustic levitation[J].Applied Thermal Engineering，2018(2)：40-48

　　[9]鄭欽月，章學來，王章飛，等.表面活性劑對納米流體真空制取冰漿的影響[J].高�；瘜W工程學報，2019(2)：435-44.

　　[10]章學來，鄭欽月，田鎮，等.納米TiO，流體表面改性及對真空閃蒸制冰的影響[J].化工進展，2019(3)：1197-1206.

　　[11]MO S，CHEN Y，CHENG Z，et al.Effects of nanoparticles and sample containers on crystallization supercooling degree of nanofluids[J].Thermochimica Acta，2015(4)：1-7.

　　[12]莫松平，陳穎，陳廣曦，等，容器表面對納米流體凝固過冷度的影響[C]//中國工程熱物理學會2014年年會.2014.