离子液体基纳米流体传递性质的研究

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吸收式热泵是一种重要的节能装置,它能有效的回收工厂废热和低温余热,大大地提高了能源利用率。然而,传统的循环工质对"H2O-LiBr"和"NH3-H2O"都存在严重缺陷,阻碍了吸收式热泵的推广及应用。近年来,国内外大量的研究表明,离子液体由于其具有高热稳定性,低蒸气压和液程宽等优点,具有作为热泵新吸收剂的潜能。对离子液体目前的研究进行分析发现,鲜少有关于离子液体二元溶液的传递性质的研究。而对于吸收式热泵工质对而言,传递性质至关重要。本文考虑到有机溶剂的导热系数偏低,提出以[EMIM][DEP]及其水溶液作为基液,以多壁碳纳米管(MWCNTs)作为分散粒子,得到的纳米流体作为吸收式热泵的工质对,并考察了以[EMIM][DEP]为基液的纳米流体INF和[EMIM][DEP]水溶液为基液的纳米流体SNF的导热系数、密度、粘度等性质。实验室合成了离子液体[EMIM][DEP],采用氢核磁共振波谱仪对其结构进行表征,用卡尔·费歇尔法分析离子液体中的水含量:对购买的MWCNTs进行酸化处理后,用透射电镜和红外吸收光谱对其进行表征,然后采用两步法制备纳米流体。采用西安夏溪导热系数仪测量了体系[EMIM] [DEP](1)+H2O(2)在298.15 K-353.15K的导热系数。随之测量了纳米流体INF和SNF在298.15K-353.15K的有效导热系数和298.15 K-323.15 K的密度和粘度。实验结果显示,与其基液相比INF和SNF导热系数有不同程度的增大,增大幅度在1.3%-9.7%之间;密度和粘度与基液相比也均有不同程度的增大,常温下,碳纳米管质量分数为1.0%时,与其基液相比密度增大在1%左右,INF的粘度是水的350倍,是SNF 2-4倍。INF和SNF的粘度随温度的升高迅速降低,高温时近似等于基液的粘度值,因此碳纳米管的添加不会阻碍吸收器中工质对的正常降膜流动。采用文献中的模型分别对导热系数,粘度和密度进行关联,通过拟合确定模型参数数值,计算值与实验值吻合的很好。采用GAUSSIAN 09软件中密度泛函理论确定了离子液体最优化结构,用Green-Kubo关系式计算了[EMIM][DEP]在不同温度下的导热系数和[EMIM] [DEP]+S WCNT体系的导热系数,模拟值与实验值比较吻合,表明所用的力场及方法可以用来推测纳米流体的有效导热系数。本文的研究,为吸收式热泵的实验及应用提供了重要的基础数据,为预测基液为[EMIM][DEP]的纳米流体体系导热系数提供了可靠的力场。
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