[EMIM][DEP]/H2O及其为基液的纳米流体传递性质的研究

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吸收式热泵是一种可以利用工业废热驱动的节能设备,传统的工质对是"H2O-LiBr”和‘’NH3-H2O"。然而, ‘’H2O-LiBr"易结晶且对钢铁设备有腐蚀性, ‘’NH3-H2O"有一定的危险性和毒性。近年来,人们致力于开发新工质来克服这些缺点。离子液体因其液程较宽、蒸汽压低、挥发性小且对大多数有机或无机溶剂都有较好的溶解性而受到关注。研究结果显示,1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM][DEP])等离子液体有潜力成为新工质。因此,对这类新工质传递性质进行系统的实验和分子动力学模拟的研究是非常必要的。基于本课题组之前的研究,选择[EMIM][DEP]作为主要研究对象。在实验部分,首先合成[EMIM][DEP],向其中添加纳米银、单壁碳纳米管(SWCNT)得到纳米流体INF体系,向[EMIM][DEP]水溶液中添加纳米颗粒得到纳米流体SNF体系。利用瞬态热线法测量了303.15-353.15 K下添加不同质量分数纳米银的INF及SNF的导热系数。当纳米银的质量分数为8%时,导热系数增强比只有1.03左右。另外,测量了303.15-353.15 K下添加不同质量分数SWCNT的INF体系及313.15 K下不同组成的SNF体系的导热系数。SWCNT体系导热系数增强效果明显,当添加2 wt%的SWCNT时,INF和SNF导热系数增强比达到1.30左右。在模拟方面,利用分子动力学模拟方法研究了[EMIM][DEP]/H2O在不同温度和组成下的密度,导热系数和粘度等传递性质。还探究了添加SWCNT的INF和SNF体系相对基液的导热系数增强效果。首先使用Gaussian 09软件采用密度泛函理论在B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对[EMIM][DEP]的几何构型进行优化,采用CHELPG方法拟合电荷。[EMIM]+力场参数基于AMBER力场,[DEP]力场参数基于OPLS力场。结果显示,密度的模拟值与实验值的相对误差在3%以内。导热系数和粘度的计算是基于平衡动力学Green-Kubo方法的,[EMIM][DEP]导热系数的模拟值与实验值的平均相对误差为13.48%,而在[EMIM][DEP]水溶液体系中二者的相对误差在20%左右。INF和SNF的模拟结果显示,加入SWCNT之后,导热系数明显增强。此外,还计算了构成导热系数的动能项,势能项,维里项和偏焓项的能量贡献,探究了SWCNT的添加对各项贡献的影响。结果发现,维里项是该体系导热系数的主要贡献项。本文采用的[EMIM][DEP]的MD模拟力场参数可以合理地计算和预测相关体系的传递性质,同时研究结果也为文中新型热泵工质的应用提供了实验和模拟数据。
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