旋转磁场下纳米磁性流体对氨水鼓泡吸收的强化影响
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I
摘 要
近些年来，纳米磁流体和磁场技术的发展使得其在诸多领域得到了广泛应用。
由于在磁场下的纳米磁流体拥有小尺度效应，表面效应和磁效应，使得其在强化
传热传质方面的研究成了人们争相研究的热点。纳米磁流体和磁场各自作为新型
的强化传热传质手段，其显著的强化效果已经在多领域得到了证实，这些都为将
纳米磁流体和磁场技术引入强化氨水吸收提供了可能。
氨水吸收式制冷系统的性能系数和吸收器内传质过程紧密相关。为了强化吸
收器内的传质过程，本文设计并搭建了一套带有旋转磁场的氨水鼓泡吸收实验系
统。以旋转磁场和 Fe3O4纳米磁流体为强化介质，在一定条件下进行了旋转磁场
和Fe3O4纳米磁流体对纯水基液吸收氨气影响特性的研究。并建立数学描写，从
机理上对其强化吸收过程进行了分析。主要研究工作和结论如下：
1. 对氨水鼓泡吸收过程进行了理论分析。将鼓泡吸收过程分为气泡生成过程
和气泡上升过程，并分别针对两过程进行了受力分析和建立数学描写。针对数学
描写中各因素所对应的强化方法进行了总结和分析，并分析了本文中的强化手段
对数学描写中各因素的影响。
2. 搭建了外加旋转磁场的氨水鼓泡吸收系统。对外加旋转磁场的氨水鼓泡吸
收实验系统流程、实验装置、实验测试元件及数据采集系统、实验数据处理以及
系统的误差进行了介绍和分析，提出了根据孤立系统内实际气体状态方程来计算
吸收效果的方法。
3. 进行了实验时长和最佳纳米磁流体浓度选择的实验。结果证明，当实验时
长为 3min 时，最有利于吸收效果的对比；当纳米磁流体浓度在 0.2wt%左右时，
具有最大的强化效果。
4. 进行了静止磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收的实验研究。对纳米磁流
体单因素、磁场单因素和两者共同作用下的强化机理做了分析，并结合缓压器和
吸收器实验前后的压差，分析了各因素对氨水鼓泡吸收不同的影响机理。试验中
在磁场强度为 260mT，纳米磁流体浓度为 0.2wt%时得到最大的有效吸收比，为
1.55。
5. 进行了旋转磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收的实验研究。对旋转磁场
下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收的机理做了分析，结合缓压器和吸收器实验前后
压差分析了旋转磁场下纳米磁流体与静止磁场下的异同。同样，在磁场强度为
260mT，纳米磁流体浓度为 0.2wt%时得到最大有效吸收比，为 1.628。
关键词：旋转磁场 纳米磁流体 氨水 鼓泡 强化吸收
II
ABSTRACT
In recent years, nano-magnetic fluid and magnetic field technology have been
widely applied in many fields with their fast development. The nano-magnetic fluid
has became a hot topic in strengthening heat and mass transfer because of its finite size
effects, surface effects and magnetic effects under the magnetic field. As new mediums
for strengthening heat and mass transfer, effects of nano-magnetic fluid and magnetic
fields have been proved. These practices provide the possibility for the introduction of
the nano-magnetic fluid and magnetic fields to strengthen the ammonia-water
absorption.
The COP of the ammonia absorption refrigeration system is closely related to the
mass transfer of the absorber. To improve the mass transfer in the absorber, an
experimental system of ammonia bubble absorption with rotating magnetic field was
designed and built up. The experiments of the NH3/H2O bubble absorption with
rotating magnetic field and Fe3O4 nano-magnetic as strengthened mediums were
carried out to find the influences of rotating magnetic field and Fe3O4 nano-magnetic.
Besides, a mathematical description was established and the mechanism of
strengthening absorption process was analyzed.
The main research work and the conclusions are as follows:
1. Theoretical analysis is carried out about the ammonia bubble absorption. The
bubble absorption is divided into two processes; one is bubble generation process and
the other is bubble rise process. Both of the two processes are stress analyzed and the
mathematical descriptions are established. The strengthening mechanisms of each
factor in the mathematical description are summarized and analyzed and the impacts of
the strengthening methods on each factor in this paper in the mathematical description
are analyzed.
2. An ammonia bubble absorption system with rotating magnetic field is built up.
Process of the ammonia bubble absorption experimental system with rotating magnetic
field, the experimental apparatus, the experimental test components, the data
acquisition system and system errors are introduced and analyzed. The method based
on the real gas equation of state in the isolated system to calculate the absorption effect
is proposed.
3. The experiments of the optimum time length and the best nano-magnetic fluid
III
concentration are carried out. The results show that the experiment time of 3 minutes is
most conducive to contrast the absorb effect; and it gets the maximum strengthening
effect when nano-magnetic fluid concentration is 0.2wt%.
4. The experimental study of nano-magnetic fluid in a static magnetic field to
strengthen the ammonia bubble absorption is carried out. The strengthening
mechanisms under single factor of magnetic fluids and under single factor of the
magnetic field and under both factors together are analyzed. Combining with the
pressure differences before and after experiments of the pressure controlling container
and the absorber, the different mechanisms of various factors on the ammonia bubble
absorption are analyzed. When the magnetic density is 260mT and the concentration of
nano-magnetic fluid is 0.2wt%, the maximum effective absorption ratio is obtained
which is 1.55.
5. The study of nano-magnetic fluid in a rotating magnetic field to strengthen the
ammonia bubble absorption is carried out. The mechanism of the nano-magnetic fluid
in the rotating magnetic field to strengthen ammonia bubble absorption is analyzed.
Combining with the pressure differences before and after experiments of the slow
voltage and the absorber, the similarities and differences of the nano-magnetic fluid in
the rotating magnetic field and static magnetic field are analyzed. Similarly, when the
magnetic density is 260mT and the concentration of nano-magnetic fluid is 0.2wt%,
the maximum effective absorption ratio is obtained which is1.628.
Keywords: Magnetic field, Nano-magnetic fluid, NH3/H2O, bubble,
Absorption enhancement
IV
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ............................................................................................................. 1
§1.1 研究背景和意义 ............................................................................................. 1
§1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2
§1.2.1 吸收式制冷系统简介 .............................................................................. 2
§1.2.2 氨水鼓泡吸收的研究进展 ...................................................................... 3
§1.2.3 磁场和磁性纳米流体的发展和应用 ...................................................... 7
§1.3 本文的主要研究内容 ...................................................................................... 9
第二章 氨水鼓泡吸收数学描写及其强化手段分析 ............................................... 10
§2.1 相际传质模型和机理 ................................................................................... 10
§2.1.1 双膜理论模型 ........................................................................................ 10
§2.1.2 渗透理论模型 ......................................................................................... 11
§2.1.3 表面更新理论模型 ................................................................................. 11
§2.2 氨水鼓泡吸收过程中的数学描写 ................................................................ 12
§2.2.1 气泡生成过程的传质系数 .................................................................... 13
§2.2.2 气泡上升过程的传质系数 .................................................................... 15
§2.3 相关强化手段对氨水吸收过程的影响 ....................................................... 16
§2.3.1 物性对传质过程的影响 ........................................................................ 16
§2.3.2 扰动对传质过程的影响 ........................................................................ 17
§2.3.3 气泡体积对传质系数的影响 ................................................................ 18
§2.4 本章小结 ....................................................................................................... 18
第三章 磁场及纳米磁流体影响氨水鼓泡吸收的机理分析 ................................... 19
§3.1 纳米磁流体影响氨水鼓泡吸收机理 ............................................................ 19
§3.1.1 纳米磁流体简介 .................................................................................... 19
§3.1.2 纳米磁流体对氨水鼓泡吸收的影响机理 ............................................ 22
§3.2 磁场对基液物性的影响机理 ....................................................................... 22
§3.3 磁场下纳米磁流体强化相际传质的机理分析 ........................................... 24
§3.3.1 纳米磁流体在磁场下的排列特性及影响机理 .................................... 24
§3.3.2 纳米磁流体在磁场下的表面特性及影响机理 .................................... 26
§3.4 本章小结 ........................................................................................................ 27
V
第四章 旋转磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收的实验装置 ........................... 28
§4.1 旋转磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收试验系统 ................................ 28
§4.1.1 实验系统 ................................................................................................ 28
§4.1.2 实验装置 ................................................................................................ 29
§4.1.3 实验流程 ................................................................................................ 32
§4.2 实验数据采集和处理 .................................................................................... 33
§4.2.1 实验测试系统及装置 ............................................................................ 33
§4.2.2 物性测量装置 ........................................................................................ 35
§4.2.3 数据处理 ................................................................................................ 38
§4.3 不确定度分析 ............................................................................................... 40
§4.3.1 误差分析 ................................................................................................ 40
§4.3.2 精度分析 ................................................................................................ 40
§4.4 本章小结 ........................................................................................................ 41
第五章 磁场作用下纳米磁流体对氨水鼓泡吸收过程的影响 ............................... 42
§5.1 静止磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡的实验研究 .................................... 42
§5.1.1 实验方案和条件 ..................................................................................... 42
§5.1.2 静止磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收实验 ................................ 45
§5.2 旋转磁场下纳米磁流体强化氨水鼓泡吸收实验 ....................................... 52
§5.2.1 实验方案 ................................................................................................ 52
§5.2.2 旋转磁场作用下纳米磁流体对氨水鼓泡吸收强化实验 .................... 53
§5.3 本章小结 ........................................................................................................ 56
第六章 总结与展望 ................................................................................................... 58
§6.1 论文总结 ....................................................................................................... 58
§6.2 工作展望 ....................................................................................................... 58
主要符号表 ................................................................................................................ 60
参考文献 .................................................................................................................... 62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 68
致 谢
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景和意义
空调技术的诞生是建筑住宅应用技术的一项重大进步，它标志着人类从被动
适应自然气候发展到主动调节建筑微气候，在改造和征服自然的过程的又迈出了
坚实的一步，但同时也带来了许多问题，最显著的是能耗和环保问题。随着人们
对节能和环保的日益重视，夏季用电占建筑能耗 40%的空调节能问题受到了越来
越多人的关注。同时，传统机械压缩式空调使用氟利昂制冷剂，在运转过程中一
旦泄露，会对大气层造成破坏，并且机械压缩式制冷系统在运行中消耗大量电能，
与节能的发展趋势不符。相对比于机械压缩式制冷系统，吸收式制冷系统采用对
环境无害的氨为工作介质，可以使用太阳能，工业余热等低品位能源，有效的避
免了机械压缩式制冷系统存在的缺点。
吸收式制冷是在热源的驱动下，采用某些有特殊性质的工质对，通过一种物
质(吸收剂)对另一种物质(制冷剂)在一定条件下的吸收和释放，在被吸收物质(制
冷剂)形态变化中实现吸热和放热过程的制冷方式[1]。常用的吸收式制冷系统包括
以氨-水为工质对的氨水吸收式制冷系统和以溴化锂-水为工质对的溴化锂吸收式
制冷系统。溴化锂制冷系统由于受到制冷剂(水)的限制，制冷温度一般不低于 5℃，
一般用于空调或者工业冷却中。氨水吸收式制冷系统的制冷范围比较宽，为-60℃
~+10℃，不仅可以用于空调，也可以适用于制取 0℃以下低温的普通场合，因此，
在工业余热的利用上，氨水吸收式制冷系统优于溴化锂吸收式制冷系统。但是传
统的氨水吸收式制冷系统设备笨重，钢材消耗量大，性能系数低，其应用受到很
大限制。如何减小吸收式制冷系统的体积，提高性能系数成为吸收式制冷系统的
研究重点。
提高氨水传热传质效率是提高吸收式制冷系统性能系数的重要途径，国内外
学者针对强化氨水吸收效率展开了大量研究。主要强化手段按照施加外力与否可
以分为主动强化和被动强化两种[2]~[3]，前者是指不需要外界动力的强化技术，比
如扩展表面、插入物、高效强化传热管或者降膜和鼓泡形式的选择等。后者是指
需要输入外界动力的强化手段，比如机械振动、施加外力场、在吸收液中加入表
面活性剂或者纳米流体等。这些强化手段都在一定程度上对氨水吸收速率起到了
强化作用。
本课题以氨水鼓泡吸收为研究对象，搭建可视化旋转磁场下纳米磁流体强化
氨水鼓泡吸收实验台。实验台针对吸收器的鼓泡吸收过程进行研究，减少了吸收
式系统中多种复杂因素的影响，使吸收过程的研究更准确。在得到性能稳定的纳
摘要：
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I摘要近些年来，纳米磁流体和磁场技术的发展使得其在诸多领域得到了广泛应用。由于在磁场下的纳米磁流体拥有小尺度效应，表面效应和磁效应，使得其在强化传热传质方面的研究成了人们争相研究的热点。纳米磁流体和磁场各自作为新型的强化传热传质手段，其显著的强化效果已经在多领域得到了证实，这些都为将纳米磁流体和磁场技术引入强化氨水吸收提供了可能。氨水吸收式制冷系统的性能系数和吸收器内传质过程紧密相关。为了强化吸收器内的传质过程，本文设计并搭建了一套带有旋转磁场的氨水鼓泡吸收实验系统。以旋转磁场和Fe3O4纳米磁流体为强化介质，在一定条件下进行了旋转磁场和Fe3O4纳米磁流体对纯水基液吸收氨气影响特性的研究。并...
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