混合悬浮液中纳米颗粒对核化形态的影响

混合悬浮液中纳米颗粒对核化形态的影响 混合悬浮液中纳米颗粒对核化形态的影响 第25卷第3期 2004年5月 工程热物理 JoURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS Vo1.25,No.3 May,2004 混合悬浮液中纳米颗粒对核化形态的影响 李春辉王补宣彭晓峰 (清华大学热能系工程热物理所,北京100084) 摘要均相沸腾活化核心的形成靠液体分子(或密度)脉动形成,低过热温度下临界活化核心比纳米颗粒本身粒径要大 很多,颗粒添加的影响相对很小,依旧保持为均相沸腾.随着液体过热温度的增加 至临界活化核心与颗粒尺寸可比时,颗 粒才有可能成为新的活化核心,液体内部的均相沸腾也转变为非均相沸腾,但在考虑颗粒吸附的情况下,颗粒的吸附会使 面部分核化中心失去活性,弱化了原有非均相核化. 关键词纳米颗粒悬浮液;均相沸腾'临界活化核心 中图分类号:文献标识码:A文章编号:0253—231X(2004)03-0475-03 THEINFLUENCEoFNANo.PARTICLESoNNUCLEATIoNIN MIXTURESUSPENSIoN LIChun-Hui,)\ANGBu-XuanPENGXiao-Feng (DepartmentofTherma/EngineeringTsinghuaUniversity,Beijing100084,China) AbstractTheactivenucleationsitesforhomogeneousboilingareusuallyinducedbythefluct uation ofliquidmolecules(ordensity).Thesizeofcriticalnucleationsitesismuchlargerthanthatof nano-particlesatlowsuperheat,andconsequentlNnano-particleshavelessinfluenceonnucl eation. Withincreasingsuperheat,thenano-particlesmaycomeintobeingthenewactivesiteswhenh allo- particlesarecomparablewithactivenucleationsites.However,theinfluenceofnano-particle scould beweakened,withtheconsiderationofliquidabsorptiononparticlesurface. KeywordsNano-particlesuspension;homogeneousnucleation;activenucleationsite 1引言 均相沸腾通常需要很高的过热度,而且也只有 在高纯液体沸腾时才出现.但过热液体中的气化成 核现象所引起的突发性容积沸腾,在液体突然失压 或泄漏以及在低温液体的贮存中会导致严重的爆炸 事故.颗粒从沸腾池内的排放会带来严重环境问题, 特别是核工业中放射性颗粒的排放会对人类健康造 成危害,为此对沸腾池内颗粒的悬浮问题已进行了 大都集中于悬浮颗粒在悬浮液中分布 大量的研究, 的讨论【,.而对固体颗粒悬浮液,尤其是纳米颗 粒的存在会否影响沸腾本身方面却鲜见研究.本文 试图在这方面做一些探析. 本文所讨论的是粒径为25nm的Si02颗粒与 去离子水组成的悬浮液,其物性见表1. 表1纳米颗粒与水的物性【.l 2分析基础 2.1均相沸腾的临界活化半径由分子运动论,液 体中各个分子的能量分布并不均匀.高能分子的随 机聚集,形成暂时的局部微小低密度区,可被认为 具有一定半径和分子数的微小气泡,这就是液相中 微小气泡核心的形成过程. 在平衡条件下,气相和液相的温度和化学势相 等,f=,f为液相的化学势,.为平衡气相 收稿日期:2003-12.09;修订日期:2004-03-01 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.59995550--3) 作者简介:李春辉(1977一),女,天津蓟县人,博士研究生,主要从事沸腾传热的研究. 476工程热物理25卷 化学势.气液相平衡时,气泡内蒸汽温度,自由焓与 气泡外液体温度和自由焓各相等,而气泡内外压力 差应满足Young-Laplace方程,即=+2a/r, 为液相压力,为平衡气相压力,为气液相 际界面的表面张力,r为平衡时气泡半径. 由~sat,l=.,气泡内的压力可表示为: : Ps.()exp{)(1)』L上Z 将上式代入Young-Laplace方程,求得平衡时气泡半 径为: 一 !r91 Ps.,()exp{vl[Pl一尸s.,()]/R死)一 液相中形成一个半径为r的球形气泡核心后所引起 的系统热力学自由焓P的变化为: ?=(4/3)7rrP(一z)+47rr(3) 其中,为平衡气相自由焓值.在液相过热的条件 下,必有z>.由式(3)计算的自由焓差随气 泡半径变化的曲线如图1所示.极大值?对 应的气泡半径为临界气泡半径r..由热力学第二定 律,只有自由焓减小的过程才能自发进行,只有半 径r>r.的那些气泡核心才能够在过热液体中进一 步长大,而对于那些半径r<r.的气泡核心必然自 行消失.r.通常被称为气泡临界半径,显然式(2) 的平衡气泡半径与临界气泡半径r.是等价的. 对一个大气压下水的临界气泡半径进行计算,结果 见表2,计算依据取自文献【3]. 从表2可以看出,随着过热液体温度的升高, 气泡的临界半径急剧下降. ? ? 图1自由焓随气泡半径的变化 3颗粒分布 为简化讨论,假设悬浮液中的颗粒具有理想的 分布,如图2所示.每个颗粒包含的分子数为: n=[(Tr/6)d3p?NA]/M(4) 其中,M为分子量,为阿佛加德罗常数.考虑 单位体积内的总颗粒数为: (cNa)/n=1/a.(5) 式中,a为颗粒质心间距,c为体积摩尔浓度. 图2颗粒分布示意图 定义相对分散参数为: :a/d:~,/—Trp/(6—cM)(6) 4无吸附时颗粒影响 暂不考虑颗粒的液体吸附时,颗粒均匀分散在 液体中的分散参数可直接按照式(6)进行计算. 只有外界对液体的功达到临界值后(如图1所 示?),才会在液体中形成新的相一气泡,用 单位体积的加热量来表征液体气泡所需的能量. 表3纳米颗粒悬浮液的相对分散系数 添加的悬浮颗粒占据了原为液体所应占据的体 积.假设单位体积内悬浮纳米颗粒吸收的热量仍为 原液体位置占用的热量,即: Q=PlVCel?=PyceA(7) 其中,?和?各为液体和悬浮颗粒占有时的温 升,液体密度,P纳米颗粒密度,单位体积 内的颗粒所占据的体积.亦即V=c(kg/m0)/p, z液相比热,Cpl纳米颗粒比热.式(12)表明, 表2纯液体沸腾时的临界气泡半径 3期李春辉等 SiO2颗粒的比热Cp比液体水Cp要小(不必考虑颗 粒相变),颗粒P.比液体小时,同体积悬浮液吸收和 纯液体相同的热量纳米颗粒比纯液体的温升要高,颗 粒向周围的液体传递热量,即相同体积,加热量下,纳 米颗粒悬浮液温度会比纯液体的温度要高,温度的 升高会使临界气泡的半径减小.由于V:c(kg/m.) /p.,颗粒浓度的增加会加强这种效果. 颗粒的添加势必使固体颗粒与液体间出现相界 面.而且对给定的颗粒浓度,颗粒愈细,单位体积内 相界面积愈大.气泡临界半径和颗粒粒径之比很大 时,颗粒界面的出现对于按均相沸腾处理的影响不 明显,但从表2,3,即使在非常低的0.001%浓 度下,颗粒间距比120.C时水的临界气泡半径还要 小,颗粒的存在将不可避免地影响气泡的活化.如 表2所示,随着液体温度的增加,气泡的临界半径 急剧减少,在过热液体温度为250.C时,临界半径 的尺寸仅为13.8nm;当过热液体的温度达到300.C 时,其气泡的临界半径更小到只有0.9nm,这对于 粒径为25nm的Si02颗粒来说,气泡已完全有可能 在该颗粒表面上形成,呈现出非均相沸腾的特征. 如果取h=0.01d和h:0.05d,可计算出颗粒间的 距离X,如表4所列. 图3颗粒吸附示意图 表4考虑纳米颗粒吸附时的悬浮液相对分散系数 对于给定颗粒浓度的悬浮液,由于强烈的吸附 力,吸附的液体和颗粒将成为一个整体,从而导致 颗粒当量直径增大,颗粒间距减小,颗粒的存在对 沸腾的影响增加. 5有吸附时颗粒的影响6结论 对于实际的液体或固体,由于其表面的原子, 分子处于力场的不饱和状态,且表面自由能G较大 而处于非稳定状态,自发过程的结果会降低其表面 自由能,即dG<0.自发过程通常有两种形式:表 面收缩,使体系达到表面积A最小,表面自由能也 将到最小而趋向于稳定态;表面吸附,使表面张力 降低,表面力场不平衡程度下降,从而使体系处于 稳定态. 在恒温恒压下,有: dG=Ado"+adA(8) 纯液体表面张力不变,即da=0,则上式为dG= adA,过程自发进行(即dG<0)时,必然是表面 积收缩,亦即dA<0的直接结果.因为液体容易 流动,液体表面层的分子容易通过位移收缩而达到 表面积最小的稳定态而固体原子,分子不容易移 动,表面积可看作不变,即dA=0,故由式(8), dG=adA.自发进行的过程(dG<0)只能是表面 张力减小,出现吸附.文献[4,5】曾利用颗粒吸附 理论对纳米颗粒悬浮液有效导热系数的提高进行过 分析.在沸腾方面尚未到相应探讨. 考虑,粒径由原来的d变为当量粒径d,如图 3所示.相同的颗粒浓度下,颗粒分散系数变为: X=xd/(d+2h)(9) 从以上分析和讨论中可以得出如下结论: (1)在单位体积的加热量保持不变的情况下,添 加颗粒将使悬浮液的温度升高,降低气泡的临界半 径.而且随着颗粒浓度的增加,影响增大. (2)随着液体温度的升高,如果气泡临界半径变 得和颗粒本身的粒径可比时,气泡可从颗粒表面上 产生,液体沸腾也就由均相转变为非均相沸腾. (3)考虑颗粒表面吸附的影响,吸附的水部分地 失去蒸发"活性",而颗粒当量粒径的增大,使颗粒 对沸腾的影响增加. 参考文献 l11AbrahamD,SylviaZ,AmosU.MeasurementsofSolid C0ntaminantEmissionRatesfromBoilingPooIs.Chem- icalEngineeringScience.2000.55:2203—2212 f2lAbrahamD,AmosU,SylviaZ.MeasurementsofSolid ParticleSuspensionConcentrationsinBoilingPooIs.NU- clearEngineeringandDesign,2000,199:2O3—214 [3]马庆芳,方荣生,项立成等编着.实用热物理性质. 北京:中国农业机械出版社,1986 l41EastmanJA,ChoiSU,LiS,eta1.Nanocrystallineand NanocompositeMateriMsII.In:KomarnenlS,Parker JC.and?bllenbergerHJ.MateriMsResearchSociety. PittsburghPA.1997.457:3—11 『51NiF,GUKQ,ChenKM.EffectiveTherinalConductivity ofNonlinearCompositeMediaWithContactResistance. Int.J.ofHeatandMassTransfer.1997.40:942-949