纳微传热悬浮液比热容及其构效关系研究

Nanoparticle suspension is a novel medium for heat transfer enhancement. The specific heat capacity of nanoparticle suspension is necessary data for reflecting the heat storage / transfer capacity of the heat storage medium and determining other thermal properties, which is one of the most important thermodynamic properties. Existing studies focus on water-based and hydrophilic water-based nano-particle suspension system, and limit to the measurement of experimental results. There are few researches in oil-based and molten-based nanoparticle suspension and the influence of micro-structure on specific heat capacity has not been explained clearly. A series of water-based, oil-base and molten based nanoparticle suspension were prepared and the specific heat capacities under different temperature were measured by differential scanning calorimetry. Molecular dynamics simulation was used to investigate the influence of size effect on specific heat capacity of nanoparticle. The micro-structure of suspension was studied by (cryogenic) transmission electron microscopy. On this basis, the factors influencing specific heat capacity of nanoparticle suspension were determined and the structure-activity relationship was built, which not only provide the basic thermal properties for heat transfer calculation, but also provide research foundation for exploring new industrial heat transfer working fluid.

纳米颗粒悬浮液作为一种新型传热强化工质，其比热容是反映悬浮液储热/传热能力以及决定其他热物性参数所必需的基础数据。现有的研究多集中于传统水基/亲水基纳米颗粒悬浮液体系，且仅限于数据测定，对导热油基、高温熔盐基悬浮液的研究很少，并且悬浮液比热容的影响因素及悬浮液结构与性能间的关系尚不清楚。为此，本项目拟制备一系列水基、导热油基、熔盐基纳米颗粒悬浮液作为研究对象，采用差示扫描量热法测定其在液态范围不同温度时的比热容；利用分子动力学模拟软件研究纳米颗粒比热容与颗粒尺寸及温度之间的关系，深入探讨纳米颗粒尺寸效应对悬浮液比热容的影响规律；通过（低温）透射电镜技术实现对不同基液悬浮液体系微观结构的表征，理解悬浮液微观结构对悬浮液比热容的影响规律；进而揭示纳米颗粒悬浮液比热容的影响因素及其构效关系，为传热计算和科学研究提供基础热物性数据，为探索新型工业传热强化工质提供研究基础。

纳米颗粒悬浮液比热容是反映悬浮液储热/传热能力以及决定其他热物性参数所必需的基础数据。针对目前纳米颗粒的添加对悬浮液比热容的影响仍无一致结论的现状，本课题对SiO2-乙二醇/水悬浮液及SiO2-熔盐悬浮液的比热容进行了数值计算及实验研究。.对制备的SiO2-乙二醇/水悬浮液进行比热容实验研究，发现随着SiO2纳米颗粒的加入，悬浮液的比热容相比基液有所降低，并且随着纳米颗粒质量分数的增加而减小，随着温度的升高而增加。对制备的SiO2-熔盐悬浮液，随着加入纳米颗粒质量分数的增大，悬浮液的比热容相比熔盐有所提高，但是在纳米颗粒达到某一浓度时，比热容最大，随后再增加纳米颗粒的质量分数，悬浮液比热容又逐渐减小。.对SiO2颗粒的数值计算表明，纳米级二氧化硅颗粒的比热容大于固体二氧化硅，但对计算的三种纳米颗粒尺寸，颗粒尺寸对比热容的影响没有明显观测到；SiO2颗粒的数值计算和实验研究都表明，随着温度的升高，比热容增大，数值计算结果表明比热容随着温度升高缓慢增长，实验结果表明比热容随着温度增高非线性增大，比热容和温度之间存在函数关系。.通过对悬浮液微观结构表征发现，熔盐纳米颗粒悬浮液存在链状纳米结构，该结构导致比表面积增加，从而改进熔盐的比热容，但随着纳米颗粒浓度升高，纳米颗粒在熔盐中堆积会导致有效比表面积减小，因此造成比热容随着纳米颗粒浓度的增加反而下降的现象。.通过分析发现纳米颗粒悬浮液的比热容由四部分贡献组成，分别为颗粒的体积分数、温度、颗粒大小及悬浮液微观结构。对SiO2熔盐悬浮液，温度、颗粒尺寸、微观结构对增大纳米颗粒比热容的影响更明显，造成悬浮液比热容大于基液的比热容，但随着颗粒体积分数的增大，微观结构对比热容负向的作用逐渐表现出来，因此存在最佳颗粒添加浓度。