納米技術(shù)制冷領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

納米技術(shù)制冷領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

納米是一個(gè)長(zhǎng)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(gè)納米的長(zhǎng)度大約是三四個(gè)原子的寬度。納米科學(xué)技術(shù)是在20世紀(jì)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(rèn)識(shí)自然和改造自然，通過(guò)直接操作和安排原子、分子來(lái)創(chuàng)制新的物質(zhì)。利用納米添加劑或利用納米材料改善物質(zhì)性質(zhì)，從而達(dá)到優(yōu)良的產(chǎn)品品質(zhì)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，在制冷領(lǐng)域，納米的用途也正在逐漸被開(kāi)發(fā)、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(gòu)成的材料。根據(jù)形態(tài)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(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)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(shí)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(yù)為跨世紀(jì)的新材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

納米材料的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在：通過(guò)在納米微粒的表面做異性物質(zhì)及表面修飾可以改變物質(zhì)表面帶電狀態(tài)、表面結(jié)構(gòu)和粗糙度。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體等；通過(guò)納米微粒在多孔基體中的分布狀態(tài)（連續(xù)分布還是孤立分布）來(lái)控制量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)；通過(guò)設(shè)計(jì)納米絲、管等的陣列體系（包括有序陣列和無(wú)序陣列）來(lái)獲得所需要的各種材料特性。此外，納米分體還表現(xiàn)出超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面的特性。轉(zhuǎn)速計(jì)| 水份計(jì)| 水份儀| 分析儀| 溶氧計(jì)| 電導(dǎo)度計(jì)| PH計(jì)| 酸堿計(jì)| 糖度計(jì)| 鹽度計(jì)| 酸堿度計(jì)| 電導(dǎo)計(jì)| 水分測(cè)定儀| 濁度計(jì)| 色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀|

納米科技與材料應(yīng)用于制冷領(lǐng)域的最新進(jìn)展主要有：

1．納米粒子能夠顯著地增大液體的導(dǎo)熱系數(shù)（如果在水中添加5vol％的銅納米粒子，可以使導(dǎo)熱系數(shù)增加1.5倍）。

2．將納米微粒添加到制冷系統(tǒng)中運(yùn)行發(fā)現(xiàn)：（1）添加了納米顆粒的制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器出口溫度降低的速度要明顯快于不含納米介質(zhì)的制冷系統(tǒng)，且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度要略低；（2）制冷系統(tǒng)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(zhì)的制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的吸排氣壓差要小于不含納米介質(zhì)的制冷系統(tǒng)，從而降低了壓縮機(jī)的功耗；（3）添加納米介質(zhì)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(duì)空調(diào)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(zhì)，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(xì)，處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷中心的原子及其本身具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使納米材料在潤(rùn)滑與摩擦學(xué)方面具有特殊的降摩減摩和高復(fù)合能力。納米物質(zhì)在摩擦表面以納米顆�；蚣{米膜的形式存在，具有良好的潤(rùn)滑性能和減摩性能，在潤(rùn)滑中添加納米材料制成的潤(rùn)滑劑可以顯著地提高潤(rùn)滑性能和承載性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，特別適用于苛刻條件的潤(rùn)滑場(chǎng)合。

納米添加劑

筆者領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)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(xué)性質(zhì)、傳熱特性、流動(dòng)特性，從而達(dá)到優(yōu)化參數(shù)、強(qiáng)化傳熱、改善油溶性、提高壓縮機(jī)耐磨性、減少噪音等效果，將是提高制冷空調(diào)熱泵設(shè)備的效率和可靠性的重要?jiǎng)?chuàng)新手段之一。

MelendresC. A.等人用平均粒徑在10～15 nm之間的MoS2納米粒子和平均粒徑在6～8 nm之間的TiO2納米粒子作為潤(rùn)滑油添加劑，進(jìn)行了高速往復(fù)平面機(jī)械摩擦性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，n-MoS2與n-TiO2減摩性能均優(yōu)于ZDDP（二硫代磷酸鋅，是潤(rùn)滑油常用的抗磨和抗氧劑），n-MoS2在中、低負(fù)荷狀態(tài)下性能優(yōu)異，而n-TiO2在高負(fù)荷狀態(tài)下性能卓越。

研究顯示，納米氫氧化鎳對(duì)油品抗摩性、最大無(wú)卡咬負(fù)荷及摩擦系數(shù)有影響，在500SN的基礎(chǔ)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(shù)。10～70nm的硼酸鑭粒子，添加到潤(rùn)滑油中可顯著地提高其抗磨性能。制冷系統(tǒng)的潤(rùn)滑機(jī)理是在基礎(chǔ)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(xué)吸附膜或發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成低熔點(diǎn)、低剪切力的無(wú)機(jī)保護(hù)膜，如FeCl3、FeS、FePO4等，從而形成潤(rùn)滑保護(hù)，但這一過(guò)程同時(shí)不可避免地伴隨著腐蝕磨損問(wèn)題。而添加納米添加劑是通過(guò)表面改性的物理、化學(xué)方法，在金屬基體表面覆蓋一層保護(hù)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(jié)晶和應(yīng)力狀態(tài)，從而提高材料的極壓和抗磨能力。

氫氟烴（HFC）類物質(zhì)已經(jīng)普遍使用，是制冷系統(tǒng)的主要工作介質(zhì)。在制冷系統(tǒng)中，一種合適的工作介質(zhì)體系，除要求制冷劑本身具有良好的熱物理和熱化學(xué)性質(zhì)之外，制冷劑與冷凍機(jī)油之間的相溶性問(wèn)題是該制冷劑是否能夠廣泛應(yīng)用的決定因素。HFC制冷系統(tǒng)使用脂類冷凍機(jī)油（polyol-ester, 簡(jiǎn)稱POE）。POE為強(qiáng)活性溶劑，吸水性和水解性強(qiáng)。采用HFC/POE體系的制冷系統(tǒng)在能效、工作可靠性等方面有諸多的問(wèn)題需要進(jìn)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(rùn)滑性能的方法。加入磷酸脂類添加劑，可以得到相當(dāng)于CFC/礦物油的潤(rùn)滑性能，由于沒(méi)有改變POE類冷凍機(jī)油作為強(qiáng)活性溶劑的性質(zhì)，因而無(wú)法根本解決采用HFC/POE體系的制冷系統(tǒng)存在的問(wèn)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(tǒng)潤(rùn)滑體系的優(yōu)化，取決于制冷劑與冷凍機(jī)油的互溶性以及它們組成的混合物的熱力學(xué)性質(zhì)，如粘度、密度、飽和壓力以及導(dǎo)熱系數(shù)等。為此，美國(guó)IUPAC和NIST等研究機(jī)構(gòu)非常重視研究能夠預(yù)測(cè)冷凍機(jī)油與制冷劑的混合物的相溶性和熱力學(xué)性質(zhì)的有效方法。特定基質(zhì)的納米介質(zhì)可以激化流體的活性，為通過(guò)加入納米粒子的方法改善礦物油與HFC工質(zhì)的相溶性的可能性提供了理論支持。實(shí)驗(yàn)表明，加入n-TiO2(r)的礦物油ISOVG32 ML與HFC134a的相溶性良好，采用n-TiO2（r）/礦物油/HFC134a的制冷系統(tǒng)和制冷壓縮機(jī)，具有良好的運(yùn)行特性。

目前，納米科技與材料在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用正在引起科學(xué)界、企業(yè)界以及一些政府的高度關(guān)注。為解決已有設(shè)備的制冷劑置換問(wèn)題，自2000年以來(lái)，美國(guó)海洛克國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、IUPAC實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)帝國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等歐美主要研究機(jī)構(gòu)又相繼重新開(kāi)始了HFC與礦物油相溶性的研究工作。納米材料和技術(shù)是美國(guó)國(guó)家基金會(huì)在暖通空調(diào)領(lǐng)域資助的惟一課題領(lǐng)域。同期，ASHRAE（美國(guó)采暖、制冷空調(diào)工程學(xué)會(huì)）已經(jīng)將納米材料光催化、抗菌以及基于礦物油工藝的HFC工質(zhì)置換新工藝等相關(guān)研究分別作為研究主題內(nèi)容納入到其戰(zhàn)略研究規(guī)劃中。在日本，富士通空調(diào)事業(yè)部開(kāi)展了納米材料強(qiáng)化空調(diào)器換熱器換熱性能的研究。在中國(guó)，在國(guó)家自然科學(xué)基金和地方基金的資助下，北京建筑工程學(xué)院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等學(xué)校也開(kāi)展了在納米科技與材料應(yīng)用于制冷方面的研究。

可以預(yù)測(cè)，納米技術(shù)與材料在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用，將能改善制冷產(chǎn)品能效、速凍等性能指標(biāo)，并改進(jìn)產(chǎn)品的制作工藝、擴(kuò)展產(chǎn)品使用功能，例如，增加空調(diào)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(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的變化。