CN103194175A

CN103194175A - 一种用于管式能量回收装置的碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质

Info

Publication number: CN103194175A
Application number: CN2013101419840A
Authority: CN
Inventors: 周峰; 马国远; 李富平
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-07-10

Abstract

一种用于管式能量回收装置的碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质涉及换热介质。其特征在于，采用如下方法制备：首先将质量为多元制冷剂质量的0.001%~1%的碳纳米管颗粒加入质量为多元制冷剂质量的5%~15%的分散剂或表面活性剂中；然后将上述混合物进行不少于20分钟的超声波震荡，得到分布均匀的碳纳米管与分散剂的混合物；将上述混合物与多元制冷剂同时加入真空容器中，并进行不少于30分钟的超声波震荡，最终得到分布均匀的碳纳米管强化多元制冷剂换热工质。根据优势互补和强化换热原则，本发明能满足环保要求、安全可靠，在-20℃~60℃跨零度温度范围内高效运行。

Description

一种用于管式能量回收装置的碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质

技术领域

本发明涉及换热介质，特别是用于管式能量回收装置的传热流体。

背景技术

随着社会进步和生活水平的提高，空气调节技术已经广泛应用于各行各业及民用建筑，但随之而来能耗问题也日益突出。空调系统中，为了保证室内空气的卫生标准，通风换气是必需的配置。在某些场合下，换气量非常大，比如医院洁净度要求较高的手术室有时要求换气频率每小时40-100次，而对于诸如商场等人员密集的大型建筑，排风所带走的能量约占空调总负荷的60%以上，对这些能量加以有效回收，可以有效地降低空调系统的能耗，带来显著的节能减排效益。

回收利用建筑物或工艺过程排出废气的能量，管式能量回收装置是一种行之有效的设备，这其中换热工质是这类设备有效工作的关键因素之一。根据不同的工作温度区间，可以将能量回收装置中的换热工质分为高温工质、中温工质、和低温工质，而在低温工质中主要涵盖了常温（近室温）工质和低温工质。在不同的工作温度范围内如何选择适宜的换热工质，确保换热高效快速稳定的进行，是一个相当复杂、涉及面很广的工作。空调系统能量回收过程中，换热工质的工作温度区间属于常温范围，温度变化范围与全年室外气温变化范围一致，为-20℃~60℃跨零度范围内。在该温度范围内，管式能量回收装置全年工况温度变化在零度上下变化较为明显，因此，单一工质的换热效果无法满足全年气温多变的要求。目前，对于常温范围内管式能量回收装置的换热工质研究较少，通常借鉴制冷、空调和热泵工质研究的成果，但是其对工质的要求与制冷空调系统的要求是不同的，制冷工质更多的是考虑循环性能，而能量回收换热工质则侧重于流动及传热性能。发明专利ZL 2008 1 0115723.0提出了工质的选用原则，并公开了几组混合工质，该混合工质由R32、R152a、R290、R134a、R245fa等组元中的两种或三种组成。

但是，上述传统方法对换热工质传热系数的提高还是有一定的局限性，根据上述工质原则，为了进一步提高工质的换热系数，满足实际应用的需求，参照如下文献1（李满峰, 李正帅, 刘慧卿, 张华, 巨永林. 纳米流体在热管中应用的研究进展. 低温与超导, 2012,40(1): 36-39）中对纳米颗粒的研究，本发明提出将碳纳米管作为强化颗粒，加入多元混合制冷剂中，并添加少量分散剂或表面活性剂，制备出的新型碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质。碳纳米管是近年来兴起的新材料，其在热力学和导电等方面具有特殊的优势，其自身的导热系数可以达到约4000 W/(m·K)，在多元制冷剂中加入碳纳米管颗粒，可以显著增加工质的传热系数，保证管式能量回收装置同时满足全年-20℃~40℃跨零度温度范围内高效运行的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将碳纳米颗粒与多元制冷剂直接混合得到的碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质。根据优势互补和强化换热原则，本发明提出了几组适用于管式能量回收装置的混合物工质，它们能满足环保要求、安全可靠，在-20℃~60℃跨零度温度范围内高效运行。

本发明由碳纳米管、制冷剂、分散剂或表面活性剂按照一定比例经超声波震荡混合而成，其中的制冷剂由如下组元：R32、R125、HFO 1234ze、HFO 1234yf中的两种或三种按一定比例混合而成，上述各组元的基本性质见表1。

表1 制冷剂所包含各组元物质的性质

本发明通过如下技术方案实现：

1）首先将0.001%~1%（为多元制冷剂质量的百分比）的碳纳米管颗粒加入5%~15%（为多元制冷剂质量的百分比）的分散剂或表面活性剂中；

2）然后将上述混合物进行不少于20分钟的超声波震荡，得到分布均匀的碳纳米管与分散剂的混合物；

3）将上述混合物与多元制冷剂同时加入真空容器中，并进行不少于30分钟的超声波震荡，最终得到分布均匀的碳纳米管强化多元制冷剂换热工质。

本发明中的多元制冷剂通过如下技术方案实现：

本发明的多元制冷剂，其特征是含有R32/R125两种物质，组分的比例（质量百分比）为5-95%/95-5%。

本发明的多元制冷剂，其特征是含有R32/HFO 1234ze两种物质，组分的比例（质量百分比）为5-95%/95-5%。

本发明的多元制冷剂，其特征是含有R32/HFO 1234yf两种物质，组分的比例（质量百分比）为5-95%/95-5%。

本发明的多元制冷剂，其特征是含有R32/R125/HFO 1234ze三种物质，组分的比例（质量百分比）为50-80%/10-40%/10-30%。

本发明的多元制冷剂，其特征是含有R32/R125/HFO 1234yf三种物质，组分的比例（质量百分比）为50-80%/10-40%/10-30%。

以上5种多元制冷剂混合物的制备方法是将上述各种组分按其相应的配比在液相状态下进行物理混合即可。

本发明的碳纳米管颗粒，其特征是直径为纳米级、长度为微米级的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

本发明的分散剂或表面活性剂，其特征是乙二醇、聚乙二醇（PEG）、油酸、聚醚类油（PVE）、烷基苯磺酸钠（SDBS）、钛铁试剂（Tiron）、异丙烯膦酸（IPPA）或吐温（TW20~80）中的一种或多种。

本发明中采用的多元制冷剂，可以满足-20℃~60℃跨零度温度范围管式能量回收装置高效运行的要求，而发明中的碳纳米管的添加，显著增加了工质的导热系数，实验证明在R32/R125(60%/40%)中添加制冷剂质量的0.02%的碳纳米管颗粒，换热工质的对流换热系数在28℃时提高131%，在55℃时提高41%。工质中的分散剂或表面活性剂有助于颗粒的稳定分散和吸附，对有效诱导工质沸腾成核起到了重要作用，有效实现了碳纳米管颗粒的强化传热特性，从而使换热工质具有良好的传热性和稳定性。同时可以减少换热工质的总量，大大降低能量回收装置的制造及运行成本。

附图说明

图1是本发明制备的碳纳米管强化二元制冷剂基换热工质的外观图；

图2是本发明制备的碳纳米管强化二元制冷剂基换热工质的微观液滴图；

图3是本发明制备的不同浓度单壁碳纳米管强化二元制冷剂基换热工质的试验等效对流换热系数变化图；

图4是本发明制备的不同浓度多壁碳纳米管强化二元制冷剂基换热工质的试验等效对流换热系数变化图；

图5是本发明制备的不同浓度多壁碳纳米管强化三元制冷剂基换热工质的试验等效对流换热系数变化图；

表1是本发明制备的图3中对应编号的换热工质的组分和浓度对比表。

表2是本发明制备的图4中对应编号的换热工质的组分和浓度对比表。

表3是本发明制备的图5中对应编号的换热工质的组分和浓度对比表。

具体实施方式

为了有助于对本发明的理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：首先将0.005%（为制冷剂质量的百分比）的单壁碳纳米管颗粒加入10%（为制冷剂质量的百分比）的分散剂聚乙二醇400中，并进行20分钟的超声波震荡，得到分布均匀的单壁碳纳米管与聚乙二醇400的混合物；然后将上述混合物与二元制冷剂混合物R32/R125(60%/40%)同时加入一个真空铜管中，密封铜管后，进行30分钟的超声波震荡，最终得到分布均匀的单壁碳纳米管强化二元制冷剂基换热工质，对应图3中3#工质。如图3所示，经单管式能量回收装置热工试验得到，工作温度为28℃时加入单壁碳纳米管的换热工质其等效对流换热系数比之前提高了155%，55℃时提高了40%。

实施例2：采用0.02%（为制冷剂质量的百分比）的单壁碳纳米管颗粒，其他制备方法与实施例1相同，对应图3中4#工质。如图3所示，经单管式能量回收装置热工试验得到，工作温度为28℃时加入单壁碳纳米管的换热工质其等效对流换热系数比之前提高了131%，55℃时提高了41%。

实施例3：采用0.05%（为制冷剂质量的百分比）的单壁碳纳米管颗粒，其他制备方法与实施例1相同，对应图3中5#工质。如图3所示，经单管式能量回收装置热工试验得到，工作温度为28℃时加入单壁碳纳米管的换热工质其等效对流换热系数比之前提高了145%，55℃时提高了41.9%。

实施例4：首先将0.5%（为制冷剂质量的百分比）的多壁碳纳米管颗粒加入15%（为制冷剂质量的百分比）的聚醚类油中，并进行20分钟的超声波震荡，得到分布均匀的多壁碳纳米管与聚醚类油的混合物；然后将上述混合物与二元制冷剂混合物R32/HFO 1234yf (80%/20%)同时加入一个真空铜管中，密封铜管后，进行30分钟的超声波震荡，最终得到分布均匀的多壁碳纳米管强化二元制冷剂基换热工质，对应图4中3#工质。如图4所示，工作温度为28℃时，其等效对流换热系数比之前提高了131%，55℃时提高了36%。

实施例5：首先将0.1%（为制冷剂质量的百分比）的多壁碳纳米管颗粒加入15%（为制冷剂质量的百分比）的聚醚类油中，并进行20分钟的超声波震荡，得到分布均匀的多壁碳纳米管与聚醚类油的混合物；然后将上述混合物与三元制冷剂混合物R32/R125/HFO 1234yf (70%/20%/10%)同时加入一个真空铜管中，密封铜管后，进行30分钟的超声波震荡，最终得到分布均匀的多壁碳纳米管强化三元制冷剂基换热工质，对应图5中3#工质。如图5所示，工作温度为28℃时，其等效对流换热系数比之前提高了114%，55℃时提高了40.8%。

表1 图3中对应不同编号工质的组成和浓度

表2 图4中对应不同编号工质的组成和浓度

表3 图5中对应不同编号工质的组成和浓度

Claims

1.一种用于管式能量回收装置的碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质，其特征在于，采用如下方法制备：

1）首先将质量为多元制冷剂质量的0.001%~1%的碳纳米管颗粒加入质量为多元制冷剂质量的5%~15%的分散剂或表面活性剂中，得到混合物；

2.根据权利要求1所述的一种用于管式能量回收装置的碳纳米管强化多元制冷剂基换热工质，其特征在于多元制冷剂为以下五种方案之一：

1）为R32/R125两种物质，组分的质量百分比例为5-95%/95-5%；

2）为R32/HFO 1234ze两种物质，组分的质量百分比例为5-95%/95-5%；

3）为R32/HFO 1234yf两种物质，组分的质量百分比例为5-95%/95-5%；

4）为R32/R125/HFO 1234ze三种物质，组分的质量百分比比例为50-80%/10-40%/10-30%；

5）为R32/R125/HFO 1234yf三种物质，组分的质量百分比比例为50-80%/10-40%/10-30%。