用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体

摘要

本发明公开了用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，该纳米流体由纳米颗粒、分散剂和基液组成，其中，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为0.1-0.5%，分散剂占纳米流体的质量分数为0.1%-0.5%，基液是质量分数为5%-25%的氨水溶液。该纳米流体具有良好的分散性和稳定性。同时，还公开了该纳米流体的制备方法：步骤10）测定初始氨水纳米流体的吸光度；步骤20）分离静置后沉降的纳米颗粒；步骤30）测定分离的纳米流体的吸光度；步骤40）制备质量分数为M的纳米流体。该制备方法可以保证获得所需的纳米颗粒质量分数，并且能去除纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分，提高纳米流体的分散性。

权利要求

1.用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，其特征在于，该纳米流体由纳米颗粒、分散剂和基液组成，不同纳米颗粒对应配置的分散剂如下表所示：纳米颗粒 分散剂

羟基磷灰石 IPA或PEG 10000

锐钛型TiO2 IPA或OP-10或PEG 1000金红石TiO2 PAA或SDBS

α-Al2O3 PAA

γ-Al2O3 PAA或SDBS

α-Fe2O3 SDBS

MgO SDBS

Cr2O3 SDBS

ZnFe2O4 SDBS

SiC SDBS

TiN IPA或PAA

其中，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为0.1-0.5％，分散剂占纳米流体的质量分数为

0.1％-0.5％，基液是质量分数为5％-25％的氨水溶液；

所述的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体的制备方法如下：步骤10)测定初始氨水纳米流体的吸光度：首先将纳米颗粒、分散剂和基液混合，搅拌均匀，制备出纳米颗粒质量分数为K·M，分散剂质量分数为K·N的初始纳米流体，K>1，M为最终获取的纳米流体中纳米颗粒的质量分数，N为最终获取的纳米流体中分散剂的质量分数，然后进行磁力搅拌和超声水浴，随后利用紫外可见分光光度计，测量初始纳米流体的吸光度Aini；

步骤20)分离静置后沉降的纳米颗粒：将步骤10)制备的初始纳米流体静置设定时间后，该纳米流体分为上层未沉降的纳米流体和下层沉降的纳米颗粒，然后利用提取设备将上层未沉降的纳米流体分离出来；

步骤30)测定分离的纳米流体的吸光度：利用紫外可见分光光度计，测量步骤20)分离出来的上层未沉降的纳米流体的吸光度Aaf，随后利用式(1)获得该纳米流体的比吸光度I：I＝Aaf/Aini 式(1)；

步骤40)制备质量分数为M的纳米流体：向步骤20)分离出来的上层未沉降的纳米流体中，添加基液，对该纳米流体进行稀释，稀释比例为：分离出来的上层未沉降的纳米流体质量∶添加的基液质量＝1∶(K·I-1)，制备出质量分数为M的纳米流体。

2.按照权利要求1所述的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，其特征在于，所述的步骤10)中，磁力搅拌时间为30分钟，超声水浴时间为10-30分钟，超声频率为45kHz。

3.按照权利要求1所述的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，其特征在于，所述的步骤10)中，K取值范围为3—10。

4.按照权利要求1所述的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，其特征在于，所述的步骤20)中，设定时间为1—7天。

5.按照权利要求1所述的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，其特征在于，所述的步骤10)和步骤40)中，基液是质量分数为5％-25％的氨水溶液。

说明书

用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体

技术领域

[0001] 本发明属于纳米流体制冷剂制备领域，具体来说，涉及用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体。

背景技术

[0002] 随着纳米材料科学的迅速发展,越来越多的研究表明纳米流体不仅具有提高流体导热系数对流传热和沸腾传热,还具有减小壁面摩擦阻力，改进光学性能等优点。纳米流体在传热和传质两方面的强化作用可以用来强化氨水制冷系统中氨气的吸收与发生过程。目前国内外已经有学者将氧化铝、氧化亚铁等纳米材料应用于氨水吸收系统中,通过降膜、鼓泡吸收等方式进行研究,取得了较为理想的效果纳米。流体的制备是纳米流体在工程流体领域应用的基础和关键步骤，而制备效果的好坏是需要能够对纳米粉体的团聚沉降特性进行评估。

[0003] 纳米颗粒在液体中的分散主要是基于静电稳定或空间位阻稳定机制，常用的三种方法包括颗粒的表面修饰、改变基液的PH值和超声振动。目前已经有很多学者研究了这三种分散方法对纳米流体稳定性的影响，对于应用于氨水系统的纳米流体来说，采用何种纳米颗粒，添加何种分散剂，或者采用什么样的分散手段能将纳米颗粒分散于氨水中需要做进一步研究。在纳米流体制备方面，虽然目前已有很多方法应用于强化纳米颗粒在液体中分散，包括搅拌、剪切、球磨等物理方法，也有表面修饰、改变pH值等化学方法，然而溶液中还是有一部分纳米颗粒处于团聚状态，并没有被这些方法分散开来，主要原因是颗粒间很强的作用力，包括范德华力，甚至氢键的作用等。这部分纳米颗粒团聚体的存在不仅会削弱纳米流体的优异特性，比如微对流、高传热传质性能、低粘度(相对于微米颗粒悬浮液)等，而且在纳米流体的使用过程中，这部分团聚体可能成为团聚吸附核心使更多的纳米颗粒吸附在上面，从而导致纳米流体的分散性进一步的降低。

发明内容

[0004] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，该纳米流体具有良好的分散性和稳定性。

[0005] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，该纳米流体由纳米颗粒、分散剂和基液组成，不同纳米颗粒对应配置的分散剂如下表所示：

[0006]纳米颗粒 分散剂
羟基磷灰石 IPA或PEG 10000
锐钛型TiO2 IPA或OP-10或PEG 1000
金红石TiO2 PAA或SDBS
α-Al2O3 PAA
γ-Al2O3 PAA或SDBS
α-Fe2O3 SDBS
MgO SDBS
Cr2O3 SDBS
ZnFe2O4 SDBS
SiC SDBS
TiN IPA或PAA

[0007] 其中，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为0.1-0.5％，分散剂占纳米流体的质量分数为0.1％-0.5％，基液是质量分数为5％-25％的氨水溶液。

[0008] 上述的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

[0009] 步骤10)测定初始氨水纳米流体的吸光度：首先将纳米颗粒、分散剂和基液混合，搅拌均匀，制备出纳米颗粒质量分数为K·M，分散剂质量分数为K·N的初始纳米流体，K>1，M为最终获取的纳米流体中纳米颗粒的质量分数，N为最终获取的纳米流体中分散剂的质量分数，然后进行磁力搅拌和超声水浴，随后利用紫外可见分光光度计，测量初始纳米流体的吸光度Aini；

[0010] 步骤20)分离静置后沉降的纳米颗粒：将步骤10)制备的初始纳米流体静置设定时间后，该纳米流体分为上层未沉降的纳米流体和下层沉降的纳米颗粒，然后利用提取设备将上层未沉降的纳米流体分离出来；

[0011] 步骤30)测定分离的纳米流体的吸光度：利用紫外可见分光光度计，测量步骤20)分离出来的上层未沉降的纳米流体的吸光度Aaf，随后利用式(1)获得该纳米流体的比吸光度I：

[0012] I＝Aaf/Aini 式(1)；

[0013] 步骤40)制备质量分数为M的纳米流体：向步骤20)分离出来的上层未沉降的纳米流体中，添加基液，对该纳米流体进行稀释，稀释比例为：分离出来的上层未沉降的纳米流体质量∶添加的基液质量＝1∶(K·I-1)，制备出质量分数为M的纳米流体。

[0014] 进一步，所述的步骤10)中，磁力搅拌时间为30分钟，超声水浴时间为10-30分钟，超声频率为45kHz。

[0015] 进一步，所述的步骤10)中，K取值范围为3—10。

[0016] 进一步，所述的步骤20)中，设定时间为1—7天。

[0017] 进一步，所述的步骤10)和步骤40)中，基液是质量分数为5％-25％的氨水溶液。

[0018] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0019] (1)本发明所制备的纳米流体具有稳定性高的优点。采用本发明所述纳米颗粒与分散剂组合能将纳米颗粒稳定分散于氨水溶液中，相比于向氨水中直接添加纳米颗粒(不添加分散剂)来说具备了更好的分散稳定性。

[0020] (2)本发明所述纳米流体中添加分散剂种类还能促进纳米流体的团聚可逆性，也就是在添加本发明所述分散剂后，所对应的纳米流体的稳定性得到提升，即使发生团聚也具备了较大的可逆性，也就是只要轻微振荡，团聚体又能从新分散开来，这样有利于纳米流体在氨水吸收式制冷系统的应用，使其在动态流体中具备更好的稳定性。而未添加分散剂的纳米流体很容易发生沉降，并且沉降大多为不可逆性质，造成其工程应用的缺陷。由于纳米颗粒本身存在优劣之分，并且在制备、储存、运输以及添加至液体过程中不可避免产生新的团聚体。本发明所述的氨水纳米流体制备方法是通过自然沉降，去除掉纳米颗粒中包含的分散性较差的部分，并能保证获得所需的纳米颗粒质量分数，从而获得稳定性优异的纳米流体。

附图说明

[0021] 图1为本发明的流程框图。

[0022] 图2为本发明的制备流程实物图。

[0023] 图3本发明的实施例中采用常规方法与本发明方法制备的纳米流体的比吸光度对比图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。

[0025] 本发明的用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体，由纳米颗粒、分散剂和基液组成，不同纳米颗粒对应配置的分散剂如下表所示：

[0026]纳米颗粒 分散剂
羟基磷灰石 IPA或PEG 10000
锐钛型TiO2 IPA或OP-10或PEG 1000
金红石TiO2 PAA或SDBS
α-Al2O3 PAA
γ-Al2O3 PAA或SDBS
α-Fe2O3 SDBS
MgO SDBS
Cr2O3 SDBS
ZnFe2O4 SDBS
SiC SDBS
TiN IPA或PAA

[0027] 其中，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为0.1-0.5％，分散剂占纳米流体的质量分数为0.1％-0.5％，基液是质量分数为5％-25％的氨水溶液。上表中，IPA表示异丙醇胺，PEG1000表示分子量为1000的聚乙二醇，PEG10000表示分子量为10000的聚乙二醇，OP-10表示辛基酚聚氧乙烯醚，SDBS表示十二烷基苯磺酸钠，PAA表示聚丙烯酸。当纳米颗粒为羟基磷灰石时，添加的分散剂为IPA，或PEG10000。当纳米颗粒为锐钛型TiO2时，添加的分散剂为IPA、OP-10或PEG1000。当纳米颗粒为金红石TiO2时，添加的分散剂为PAA或SDBS。当纳米颗粒为α-Al2O3时，添加的分散剂为PAA。当纳米颗粒为γ-Al2O3时，添加的分散剂为PAA或SDBS。当纳米颗粒为α-Fe2O3时，添加的分散剂为SDBS。当纳米颗粒为MgO时，添加的分散剂为SDBS。当纳米颗粒为Cr2O3时，添加的分散剂为SDBS。当纳米颗粒为ZnFe2O4时，添加的分散剂为SDBS。当纳米颗粒为SiC时，添加的分散剂为SDBS。当纳米颗粒为TiN时，添加的分散剂为IPA或PAA。作为优选方案，当分散剂为SDBS时，SDBS占纳米流体的质量分数为0.1％-1％。

[0028] 如图1和图2所示，上述用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体的制备方法，包括以下步骤：

[0029] 步骤10)测定初始氨水纳米流体的吸光度：首先将纳米颗粒、分散剂和基液混合，搅拌均匀，制备出纳米颗粒质量分数为K·M，分散剂质量分数为K·N的初始纳米流体，K>1，K取值范围优选为3—10；M为最终获取的纳米流体中纳米颗粒的质量分数，N为最终获取的纳米流体中分散剂的质量分数，然后进行磁力搅拌和超声水浴，随后利用紫外可见分光光度计，测量初始纳米流体的吸光度Aini。磁力搅拌可采用98-2型磁力搅拌器，搅拌时间为30分钟。超声水浴时间为10-30分钟，超声频率为45kHz。基液是质量分数为5％-25％的氨水溶液。

[0030] 步骤20)分离静置后沉降的纳米颗粒：将步骤10)制备的初始纳米流体静置设定时间后，该纳米流体分为上层未沉降的纳米流体和下层沉降的纳米颗粒，然后利用提取设备将上层未沉降的纳米流体分离出来。设定时间优选为1—7天。

[0031] 在步骤20)中，由于重力作用，纳米流体会出现自然沉降。劣等颗粒(分散性差)和制备过程中形成的团聚部分会自然沉降，而分散性好的纳米颗粒会悬浮在上层。

[0032] 步骤30)测定分离的纳米流体的吸光度：利用紫外可见分光光度计，测量步骤20)分离出来的上层未沉降的纳米流体的吸光度Aaf，随后利用式(1)获得该纳米流体的比吸光度I：

[0033] I＝Aaf/Aini 式(1)。

[0034] 步骤40)制备质量分数为M的纳米流体：向步骤20)分离出来的上层未沉降的纳米流体中，添加基液，对该纳米流体进行稀释，稀释比例为：分离出来的上层未沉降的纳米流体质量∶添加的基液质量＝1∶(K·I-1)，制备出质量分数为M的纳米流体。K·I表示K乘以I，即I的K倍。

[0035] 分散剂对纳米颗粒分散的促进作用大于超声水浴的，因为分散性较差的纳米颗粒在未添加分散剂进行超声水浴后，其分散性并未获得明显改观。而添加适当的分散剂却能直接明显改善纳米颗粒的分散稳定性。

[0036] 利用比吸光度来表征应用于氨水吸收式制冷系统的纳米流体的分散稳定性。比吸光度如式(1)所示：

[0037] I＝Aaf/Aini 式(1)

[0038] 吸光度由式(2)表示：

[0039] A＝lg(N/T)＝εbc 式(2)

[0040] 式(2)中：A表示吸光度，ε表示摩尔吸光系数，b表示光程；c表示摩尔浓度，N表示入射光的强度，T表示透射光的强度。由式(2)可知，吸光度的大小与液体中固体浓度成正比。吸光度越大，则说明流体中悬浮的粉体越多，也就是说其分散稳定性越好。吸光度的测试方法为：将流体静置一段时间后，取试管上层固定高度溶液注入比色皿，再使用紫外可见分光光度计，对各个试管吸光度进行测试。

[0041] 本发明的制备方法适用于两步法制备纳米流体，利用纳米流体自然沉降对纳米颗粒的分散性进行自然优化选择，去掉静置后沉降于底部的部分，保留稳定分散部分的纳米流体。这样，将纳米流体中本身包含的劣等颗粒(分散性差)和制备过程中形成的团聚部分去除掉，只使用分散性较为优越的这部分，而此过程中利用比吸光度进行稀释，能保证获得所需的纳米颗粒质量分数。同时，本发明的制备方法的实施不应用纳米流体制备者的本身分散工艺，在制备者采用各种分散方法，包括分散剂、pH值、超声振动等配置出纳米流体之后，通过本发明的制备方法进行颗粒自然沉降筛选，能进一步优化纳米流体的分散稳定性。

[0042] 为了说明本发明的分散剂与纳米颗粒组合的优越性，现利用比吸光度来对添加分散剂的纳米流体(下文简称实例)与未添加分散剂的纳米流体(下文简称对比例)分散性进行比较。实例和对比例的制备方法均与本发明的制备方法相同，不同之处仅在于有没有添加分散剂。实例中，纳米颗粒的质量分数为0.2％，分散剂的质量分数为0.2％，基液为25％氨水。对比例中，纳米颗粒的质量分数为0.2％，基液为25％氨水。在静置24小时后，利用紫外可见分光光度计和式(1)获得比吸光度值，结果如表2所示。

[0043] 表2实例和对比例各种配置的比吸光度结果表

[0044]

[0045]

[0046] 从表2可以看出：静置24小时后，添加分散剂的纳米流体的比吸光度，相对于不加分散剂的纳米流体的比吸光度，有了很大的提升。表2中，第一行表示添加的分散剂，第一列表示纳米颗粒，数值表示比吸光度，例如，纳米颗粒锐钛型TiO2、分散剂OP-10和基液配置的纳米流体的比吸光度为0.710；纳米颗粒α-Fe2O3、分散剂SDBS和基液配置的纳米流体的比吸光度为0.699；纳米颗粒SiC和基液配置的纳米流体(不添加分散剂)的比吸光度为0.840。又例如，纳米颗粒为金红石TiO2，当添加的分散剂为PAA时，纳米流体的比吸光度为0.730；当添加的分散剂为SDBS时，纳米流体的比吸光度为0.630；当不添加分散剂时，纳米流体的比吸光度为0.178。添加分散剂的纳米流体的比吸光度远远大于不添加分散剂的纳米流体的比吸光度，所以，添加分散剂的纳米流体的分散稳定性高于不添加分散剂的纳米流体的分散稳定性。也就是说，本发明的纳米流体所公开的分散剂能较强的促进相对的纳米颗粒在氨水中的分散性能。为纳米流体技术在氨水中的应用提供了分散剂类别选择参考。

[0047] 下面再将采用本发明的制备方法和常规的制备方法相比较，来说明本发明的制备方法制备的纳米流体具有良好的分散稳定性。常规的制备方法是直接将基液、分散剂和纳米颗粒混合搅拌。α-Al2O3,γ-Al2O3,Fe2O3,ZnFe2O4这四种纳米流体在无分散剂时，无法分散于氨水中，而分别添加PAA,SDBS,IPA,SDBS后，纳米流体的分散性得到明显改善，不过仍然能看见明显的沉积物。采用常规制备方法与本发明所述制备方法制备了α-Al2O3,γ-Al2O3,Fe2O3,ZnFe2O4这四种纳米流体。在这两种制备方法配置的纳米流体中，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为0.2％，分散剂占纳米流体的质量分数为0.2％，基液是质量分数为25％的氨水溶液。静置24小时后，观察其沉降情况。通过观察，可以看出虽然添加了分散剂，但常规制备方法配置的纳米流体的试管底部出现了明显的沉积物，而本发明的制备方法配置的纳米流体的沉降物相对来说少了很多，特别是对α-Al2O3,γ-Al2O3,Fe2O3纳米流体，沉降物少了很多。由于比吸光度能定量表征含分散剂的不同纳米流体的分散性，因此，通过比较比吸光度，可以定量分析出本发明的制备方法获得的纳米流体与常规的制备方法获得的纳米流体的分散稳定性。两种制备方法的纳米流体静置24小时后的比吸光度如图3所示。从图3可以看出：采用本发明制备方法制备的纳米流体的比吸光度均高于常规制备方法制备的纳米流体比吸光度，例如，常规制备方法制备的γ-Al2O3的比吸光度为0.54，而本发明制备方法制备的γ-Al2O3的比吸光度为0.71；常规制备方法制备的ZnFe2O4的比吸光度为0.51，而本发明制备方法制备的ZnFe2O4的比吸光度为0.69。这说明了本发明的制备方法配置的纳米流体具有较高的分散稳定性。