MWCNT-H2O納米流體光熱特性實驗研究

鄭兆志，何欽波，徐言生

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東高校熱泵工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 佛山 528333）

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對于能源的消耗越來越巨大。開采可持續(xù)利用、可再生的能源就顯得尤為重要。太陽能是一種非常便利的能源，既清潔又豐富，對環(huán)境無任何污染［1］。太陽能熱利用是其最廣泛的利用基本方式之一。太陽能集熱器是一種吸收太陽光并轉(zhuǎn)化為熱量傳遞給工作流體的裝置。目前太陽能集熱器廣泛使用的有平板式和真空管式，太陽輻射在通過選擇性涂層吸收并轉(zhuǎn)化為熱量后，還必須通過涂層涂覆的金屬板或玻璃管壁的導(dǎo)熱才能傳遞至工作介質(zhì)。這種非直接的吸收過程大大影響了集熱器的效率。而提高效率可以從優(yōu)化、開發(fā)新型集熱器以及新型的集熱工質(zhì)三方面入手。1975年Minardi［2］提出一種直接吸收式太陽能集熱器，集熱器中的工作流體黑液直接吸收太陽能，有利于減少熱損失，提高熱效率，但是黑液的導(dǎo)熱性能不高。

隨著納米材料技術(shù)的不斷發(fā)展，使得集熱材料有了進一步提升，由于納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、大比表面積效應(yīng)以及界面原子排列和鍵組態(tài)的無規(guī)則特性使得納米微粒的光學(xué)特性有了較大的變化，具有特殊的輻射特性［3］?？紤]到納米顆粒優(yōu)異的光吸收性能和納米流體良好的熱輸運性能［4-6］，已有研究者提出將納米流體用作直接吸收式太陽能集熱器的循環(huán)工質(zhì)［7-9］，利用納米流體直接吸收太陽輻射能，以達到提高集熱器熱效率的目的。

納米流體的光熱轉(zhuǎn)換特性研究對其作為太陽能集熱介質(zhì)具有重要的意義，它直接反應(yīng)了納米流體的太陽光吸收能力。因此，有必要針對納米流體的光熱特性做進一步的研究。本文采用多壁碳納米管（MWCNT）配制了5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNT-H2O納米流體，研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米流體透射率及光熱特性的影響。旨在探討納米流體運用于直接吸收式太陽能集熱器的可行性。

1 實驗部分

1.1 納米流體配制

采用兩步法制備了5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNT-H2O納米流體，實驗中的MWCNT為上海超威納米科技有限公司提供，首先稱取一定量的納米粉體，將其與去離子水混合，然后添加一定量的分散劑（本實驗選用十二烷基苯磺酸鈉為分散劑），使用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)懸浮液pH=8.5，經(jīng)機械攪拌器攪拌30分鐘后，形成納米粒子懸浮液，再經(jīng)超聲振動40分鐘（功率90 W）后形成納米流體，實驗中pH值采用pHS-25精密pH計測試，超聲清洗器為KQ2200DE。納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.04%、0.02%、0.01%、0.005%、0.002 5%。分散劑的用量參考文獻［10］，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.03%、0.015%、0.007 5%、0.003 8%、0.001 9%。

圖1是納米MWCNT的TEM圖像（平均直徑40 nm，長度小于2μm）。圖2是本實驗配置的不同濃度的MWCNT-H2O納米流體的照片。

圖1 直徑40 nm多壁碳納米管TEM圖像

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNT-H2O納米流體

1.2 光學(xué)性質(zhì)實驗

為了研究納米流體的輻射特性，本實驗采用紫外-可見-近紅外分光光度計（美國PERKINELMER公司Lambda 950）測量其透射率，由于納米顆粒在液體中存在光散射現(xiàn)象［11］，部分透射光不是垂直樣品池射出溶液，而是有一定角度，這部分偏射光不能被光電管接收，造成測得的透射率比實際的要小。為了減少測試誤差，本文采用積分球法采集透射光信號，積分球包覆了樣品池的透射面，使偏射光也能全部被光電管接收。所測樣品裝在一個10 mm的石英比色皿中，為了評價納米流體的光學(xué)特性，測試時以空氣為參照對比。本實驗測試了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNT-H2O納米流體透射率，分析了納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米流體透射率的影響。

1.3 光熱特性實驗

MWCNT-H2O納米流體與去離子水同步進行光熱轉(zhuǎn)換實驗，目的旨在分析納米粒子加入水中后對水的光吸收性能的影響。圖3是本實驗裝置的示意圖，納米流體及純水都被置于一透明玻璃試管中（試管直徑為15 mm，高度為150 mm），為了保證樣品的吸光面積一致，液體都處于同一高度，考慮到熱脹冷縮的原因，液面與橡膠塞間留有一定空間，所有的試管都放在一個四周絕熱的箱子中，箱子頂部蓋有透明白色玻璃。試管彼此間也用絕熱材料隔開，以防止相互間影響溫度。試管與水平面呈40°放置。每個樣品溫度采用2根K型熱電偶（精度為±0.2℃）測量，取平均值。經(jīng)過Agilent 34970A進行數(shù)據(jù)采集，采集時間間隔為20 s。

圖3 光熱特性實驗裝置示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

圖4為MWCNT-H2O納米流體在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下透射率隨波長的變化曲線。從圖中可以看出，在波長1 370～2 500 nm范圍內(nèi)，水和MWCNT-H2O納米流體的透射率都為0，也就是說在近紅外光譜范圍內(nèi)都具有很好的吸收性能。而在250～1 370 nm范圍內(nèi)，納米流體的透射率明顯低于水的透射率。隨著粒子濃度的增大透射率逐漸降低，因為隨著粒子濃度的增大，粒子數(shù)增加導(dǎo)致對光的散射和吸收也逐漸增強。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MWCNT-H2O納米流體的透射率

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體和水的溫度隨時間變化的曲線，從圖中可以看出添加納米粒子后，其光熱轉(zhuǎn)換性能明顯提高。MWCNT-H2O納米流體的溫度要大大高于純水的，溫度提升速率也要大于純水。比如：MWCNT-H2O納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%）的最高溫度比水的提高了31.87%。隨著粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米流體的光熱性能越好，但是從圖中也看到，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到0.04%時，其光熱特性反而下降了，其溫度要低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%和0.01%的。過量的納米顆粒會導(dǎo)致嚴(yán)重的沉聚現(xiàn)象，進而降低了它的光熱轉(zhuǎn)化性能，因此，粒子的濃度必須合適才行。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MWCNT-H2O納米流體的溫度曲線（θa：環(huán)境溫度）

圖6為MWCNT-H2O納米流體相對于水的溫差曲線，從圖中可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的納米流體與水的最大溫差達到了22.93℃。納米流體的集熱量曲線如圖7所示，從圖7中可得出，其集熱量大大提高。例如，在11 180 s時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的MWCNT-H2O納米流體，其集熱量提高了54.14%。在11 180 s之后，由于太陽輻照度的降低使得納米流體和水的集熱量也逐漸下降。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MWCNT-H2O納米流體與水的溫差曲線

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MWCNT-H2O納米流體的集熱量

3 結(jié)語

在水中添加納米粒子改變了水的太陽能光譜吸收特性，粒子的優(yōu)異光吸收性能使得納米流體的透射率在250～1 370 nm波段大大低于水的透射率。納米流體的透射率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時，MWCNT-H2O納米流體的在整個太陽光譜范圍內(nèi)透射率最小，接近0。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的MWCNT-H2O納米流體，其最高溫度和集熱量分別比純水提高了31.87%和54.14%。可以看出，MWCNT-H2O納米流體有著優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力，可以有效地提高太陽能吸收效率，因此，MWCNT-H2O納米流體有望在直接吸收式太陽能集熱器中得到運用。

［1］LIU Y,CHEN Y,LI J,et al.Study of energy absorption on solar cell using metamaterials［J］.Solar Energy 2012,86（5）:1586-1599.

［2］MINARDI J E.CHUANG H N.Performance of a black liquid flat-plate solar collector［J］.Solar Energy,1975,17（3）:179-183.

［3］LANCE KELLY K,EDUARDO Coronado,ZHAO L L,et al.The Optical Properties of Metal Nanoparticles:The Influence of Size，Shape,and Dielectric Environment［J］.J.Phys.Chem.B,2003,107（3）:668-677.

［4］NAPHON P,AASSADAMONGKOL P,BORIRAK T.Experimental investigation of titanium nanofluids on the heat pipe thermal efficiency［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer,2008,35（10）:1316-1319.

［5］XIE H，WANG J,XI T,et al.Thermal conductivity of suspensions containing nanosized SiC particles［J］.Int.J.Thermophys,2002,23（2）:571-580.

［6］LIU Y D，ZHOU Y G,TONG M W,et al.Experimental study of thermal conductivity and phase change performance of nanofluids PCMs［J］.Microfluidics and Nanofluidics,2009,7（4）:579-584.

［7］毛凌波,張仁元,柯秀芳,等.納米流體太陽集熱器的光熱性能研究［J］.太陽能學(xué)報，2009,30（12）：1647-1652.

［8］TYAGI H,PHELAN P,PRASHER R.Predicted Efficiency of a Low-Temperature Nanofluid-Based Direct Absorption Solar Collector［J］.Journal of Solar Energy Engineering,2009,131（4）:1-7.

［9］OTANICAR T P,PHELAN P E,PRASHER R S,et al.Nanofluid-based direct absorption solar collector［J］.Journal of Renewable and Sustainable Energy,2010,2（3）:1-13.

［10］ZHU D,LI X,WANG N,et al.Dispersion behavior and thermal conductivity characteristics of Al2O3–H2O nanofluids［J］.Curr Appl Phys,2009,9（1）:131-139.

［11］WISCOMBE W J.Improved Mie scattering algorithms［J］.Applied optics，1980,19（9）:1505-1509.