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納米技術在制冷領域的應用

發布時間: 2014-01-03   閱覽次數:1984次

  納米是一個長度單位,一納米等于十億分之一米或千分之一微米,即1nm=10-9m。一個納米的長度大約是三四個原子的寬度。納米科學技術是在20世紀80年代誕生并正在崛起的新科技,其基本含義是在納米尺度上認識自然和改造自然,通過直接操作和安排原子、分子來創制新的物質。利用納米添加劑或利用納米材料改善物質性質,從而達到優良的產品品質是近年來國內外的研究熱點,在制冷領域,納米的用途也正在逐漸被開發、重視。
納米材料
  納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由納米作為基本單元構成的材料。根據形態的不同,可將納米材料分為納米粉體、納米纖維(一維)、納米薄膜(二維)、納米塊體(三維)、納米復合材料、納米結構等。納米材料不僅僅包括納米微粒及其形成的納米塊體、納米薄膜,其含義還包括納米組裝體系,該體系除了包含納米微粒實體的組元,還包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體。納米材料以其奇特的性能被譽為跨世紀的新材料,具有廣闊的應用前景。
  納米材料的發展趨勢主要表現在:通過在納米微粒的表面做異性物質及表面修飾可以改變物質表面帶電狀態、表面結構和粗糙度。例如,導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體等;通過納米微粒在多孔基體中的分布狀態(連續分布還是孤立分布)來控制量子尺寸效應和滲流效應;通過設計納米絲、管等的陣列體系(包括有序陣列和無序陣列)來獲得所需要的各種材料特性。此外,納米分體還表現出超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面的特性。
納米科技與材料應用于制冷領域的最新進展主要有:
  1.納米粒子能夠顯著地增大液體的導熱系數(如果在水中添加5vol%的銅納米粒子,可以使導熱系數增加1.5倍)。
  2.將納米微粒添加到制冷系統中運行發現:
   。1)添加了納米顆粒的制冷系統蒸發器出口溫度降低的速度要明顯快于不含納米介質的制冷系統,且系統達到穩態時的溫度要略低;
   。2)制冷系統吸氣壓力和排氣壓力略有降低,吸排氣壓力的降幅都接近5%。由于吸排氣壓力各自降低的比例接近,所以采用納米介質的制冷系統壓縮機的吸排氣壓差要小于不含納米介質的制冷系統,從而降低了壓縮機的功耗;
   。3)添加納米介質后,可以改善礦物油與氫氟烴制冷劑的互溶性。
  3.用納米粒子對空調器換熱器外表面做滲透處理,可催化分解空氣中的苯、甲醛等有害物質,而且分解率接近100%,從而起到殺菌消毒的效果。
  由于晶粒極細,處于晶界和晶粒內缺陷中心的原子及其本身具有的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等使納米材料在潤滑與摩擦學方面具有特殊的降摩減摩和高復合能力。納米物質在摩擦表面以納米顆;蚣{米膜的形式存在,具有良好的潤滑性能和減摩性能,在潤滑中添加納米材料制成的潤滑劑可以顯著地提高潤滑性能和承載性能,提高產品的質量,特別適用于苛刻條件的潤滑場合。
      納米添加劑
  筆者領導的研究小組開展了納米添加劑改善HFC類制冷劑與礦物冷凍油相溶性的研究工作,取得了很好的效果。利用納米添加劑改善制冷劑和冷凍油的熱力學性質、傳熱特性、流動特性,從而達到優化參數、強化傳熱、改善油溶性、提高壓縮機耐磨性、減少噪音等效果,將是提高制冷空調熱泵設備的效率和可靠性的重要創新手段之一。
  Melendres C.A.等人用平均粒徑在10~15nm之間的MoS2納米粒子和平均粒徑在6~8nm之間的TiO2納米粒子作為潤滑油添加劑,進行了高速往復平面機械摩擦性能實驗,結果顯示,n-MoS2與n-TiO2減摩性能均優于ZDDP(二硫代磷酸鋅,是潤滑油常用的抗磨和抗氧劑),n-MoS2在中、低負荷狀態下性能優異,而n-TiO2在高負荷狀態下性能卓越。研究顯示,納米氫氧化鎳對油品抗摩性、最大無卡咬負荷及摩擦系數有影響,在500SN的基礎油中加入一定量的30~80nm的氫氧化鎳和分散劑,可有效提高有的抗磨性能和極壓承載性能,顯著降低摩擦系數。10~70nm的硼酸鑭粒子,添加到潤滑油中可顯著地提高其抗磨性能。制冷系統的潤滑機理是在基礎油中添加所謂的“活性元素”,如Cl、S、P等,在摩擦副表面形成物理、化學吸附膜或發生摩擦化學反應生成低熔點、低剪切力的無機保護膜,如FeCl3、FeS、FePO4等,從而形成潤滑保護,但這一過程同時不可避免地伴隨著腐蝕磨損問題。而添加納米添加劑是通過表面改性的物理、化學方法,在金屬基體表面覆蓋一層保護層或改變表面原子組成成分,如滲碳或表面涂層等方法,從而改變材料表面的結晶和應力狀態,從而提高材料的極壓和抗磨能力。
  氫氟烴(HFC)類物質已經普遍使用,是制冷系統的主要工作介質。在制冷系統中,一種合適的工作介質體系,除要求制冷劑本身具有良好的熱物理和熱化學性質之外,制冷劑與冷凍機油之間的相溶性問題是該制冷劑是否能夠廣泛應用的決定因素。HFC制冷系統使用脂類冷凍機油(polyol-ester, 簡稱POE)。POE為強活性溶劑,吸水性和水解性強。采用HFC/POE體系的制冷系統在能效、工作可靠性等方面有諸多的問題需要進一步解決。向POE中加入添加劑是目前采用較多的用于提高POE/HFC體系的潤滑性能的方法。加入磷酸脂類添加劑,可以得到相當于CFC/礦物油的潤滑性能,由于沒有改變POE類冷凍機油作為強活性溶劑的性質,因而無法根本解決采用HFC/POE體系的制冷系統存在的問題,如材料的相溶性、絮狀物沉淀、膨脹裝置堵塞等。制冷劑替代及制冷系統潤滑體系的優化,取決于制冷劑與冷凍機油的互溶性以及它們組成的混合物的熱力學性質,如粘度、密度、飽和壓力以及導熱系數等。為此,美國IUPAC和NIST等研究機構非常重視研究能夠預測冷凍機油與制冷劑的混合物的相溶性和熱力學性質的有效方法。特定基質的納米介質可以激化流體的活性,為通過加入納米粒子的方法改善礦物油與HFC工質的相溶性的可能性提供了理論支持。實驗表明,加入n-TiO2(r)的礦物油ISO VG32 ML與HFC134a的相溶性良好,采用n-TiO2(r)/礦物油/HFC134a的制冷系統和制冷壓縮機,具有良好的運行特性。
  目前,納米科技與材料在制冷領域的應用正在引起科學界、企業界以及一些政府的高度關注。為解決已有設備的制冷劑置換問題,自2000年以來,美國海洛克國家實驗室、IUPAC實驗室和英國帝國化學實驗室等歐美主要研究機構又相繼重新開始了HFC與礦物油相溶性的研究工作。納米材料和技術是美國國家基金會在暖通空調領域資助的惟一課題領域。同期,ASHRAE(美國采暖、制冷空調工程學會)已經將納米材料光催化、抗菌以及基于礦物油工藝的HFC工質置換新工藝等相關研究分別作為研究主題內容納入到其戰略研究規劃中。在日本,富士通空調事業部開展了納米材料強化空調器換熱器換熱性能的研究。在中國,在國家自然科學基金和地方基金的資助下,北京建筑工程學院、清華大學、上海交通大學等學校也開展了在納米科技與材料應用于制冷方面的研究。
  可以預測,納米技術與材料在制冷領域的應用,將能改善制冷產品能效、速凍等性能指標,并改進產品的制作工藝、擴展產品使用功能,例如,增加空調器的空氣凈化功能,冷藏冷凍器具的抗菌功能等,這將給制冷領域帶來一場深刻的變化。

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