纳米流体太阳集热器的光热性能研究.doc

纳米流体太阳集热器的光热性能研究 摘　要：采用直流碳弧法制备了碳包铜纳米颗粒直接吸收式的纳米太阳集热器显著提高了集热效率，实验中的集热效率可达74.688%，比传统平板型集热器的效率提高了近10% ０　引言 1995年，美国Argonne国家实验室的Choi[1]在国际上首次提出了“纳米流体（Nanofluids）”的概念，即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。纳米流体由于具有优异的强化传热性能而得到了广泛研究，研究方向主要包括[2-6]：纳米流体的热传导、自然对流换热、强迫对流换热、池内沸腾换热以及流动沸腾换热等。目前，国内外对纳米流体的应用研究主要集中在强化传热领域，而对于纳米流体在其他方面的应用则研究得相对较少。近两年，考虑到纳米流体优异的热输运性能以及纳米颗粒特殊的光吸收性能，有研究者提出将纳米流体用作直接吸收式太阳集热器的循环工质[7-11]，利用纳米流体直接吸收太阳辐射能，以达到提高集热器热效率的目的。已研究的用作太阳集热器循环工质的纳米流体主要有SiO2水、A l2O3水、碳纳米管水等无机非金属纳米流体[8, 9]和铝水[10]、铁醇水混合物[11]等金属纳米流体。在金属纳米流体中，金属纳米粒子由于具有表面效应和量子尺寸效应，其光学性质与块体金属相比，发生了显著的变化，出现了吸收带的蓝移和红移以及宽频带强吸收的奇异特性[12]。但金属纳米流体在制备和应用的过程中存在的一个最大不足就是其中的金属纳米粒子容易与周围的介质发生化学反应而失效。本工作采用直流碳弧法制备了碳包铜纳米颗粒，并将其均匀稳定的分散在体积比为11的乙二醇水溶液中，获得了用于直接吸收式太阳集热器的循环工质－碳包铜纳米流体，包覆的碳层在很小的空间内禁锢了铜纳米粒子，有效的阻碍了周围环境对铜纳米粒子的影响。文中对碳包铜纳米流体的光热性能及其太阳集热器的集热效率进行了实验研究。 碳包铜纳米粒子的形貌和粒径分析采用日本电子株式会社的透射电子显微镜（JEM-2000HR）；物相分析和平均晶粒尺寸计算采用日本理学株式会社的X射线衍射仪：型号D/max-2500，CuKα射线石墨单色器，工作电压40 kV，电流30 mA，扫描范围10o~80o，扫描速度12o/min。测试结果如图1、2、3所示。从碳包铜纳米颗粒的高分辨率电镜照片可以看出，碳是以石墨片层形式形成类洋葱结构紧密环绕在纳米铜颗粒周围，呈近似有序排列，铜纳米粒子则处于洋葱的核心，因此碳壳可以在很小的空间包覆禁锢铜纳米粒子，有效的避免了环境对铜纳米粒子的影响。从TEM照片可以看出，碳包铜纳米颗粒的平均粒径约为25 nm左右，根据X射线衍射数据算得平均晶粒尺寸为15.2 nm。从X射线衍射的物相测试结果可以看出，所制备的碳包铜纳米粉体中没有出现氧化铜相，只有碳和铜的相，证明了碳层的保护作用。 图1 纳米碳包铜颗粒的高分辨率电镜照片 Fig.1 HREM of carbon-coated copper nano-particles 图2 纳米碳包铜颗粒的透射电镜照片 Fig.2 TEM of carbon-coated copper nano-particles 图3 纳米碳包铜粉的XRD图谱 Fig.3 X-ray diffraction pattern of carbon-coated copper nano-particles 碳包铜纳米流体的制备采用“两步法”：首先将已制备好的碳包铜纳米颗粒添加到乙二醇水溶液中，然后采用超声波振荡和添加分散剂的方法，使碳包铜纳米颗粒均匀稳定地分散在乙二醇水溶液中。具体操作方式如下：在烧杯中加入质量分数为0.2%的阿拉伯树胶作分散剂，用一定量的乙二醇水溶液使其充分溶解，然后将质量分数0.05%的碳包铜纳米粉体加入到混合液中，在超声频率为40 kHz的超声仪中边搅拌边超声波振荡30 min，从而制得所需的碳包铜纳米流体。这样制得的碳包铜纳米流体静置一个月未发生分层现象，具有很好的悬浮稳定性。 为了考察碳包铜纳米流体的光热转换性能，分别对玻璃试管中的碳包铜纳米流体、玻璃试管中的乙二醇水溶液、表面涂有黑漆的铜管中的乙二醇水溶液进行了闷晒实验。通过比较三种实验流体的升温速率和闷晒温度，进而分析碳包铜纳米流体的光热转换性能。在闷晒实验中，实验流体具有相同的体积和吸热传热面积。铜管的直径和长度与玻璃试管相同，玻璃试管的型号为Φ20×200 mm。闷晒实验时，铜管和玻璃试管中充满实验流体，然后分别将其密封到一个简易热盒中，热盒的底面和侧面为保温层，保温层材料为普通市售橡塑海绵板，其导热系数在使用温度范围内为0.031~0.036 W/(m.K)，厚度为2 cm，热盒的上面为透明玻璃盖板，玻璃盖板的面积为220 cm2 (10