太陽集熱管納米流體的光熱性能實驗

宋景東，孫娟，孫斌（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

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研究開發(fā)

太陽集熱管納米流體的光熱性能實驗

宋景東，孫娟，孫斌
（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

摘要：采用兩步法制備SiC-H2O、TiC-H2O、Al2O3-H2O（α和γ）4種納米流體，通過悶曬實驗研究了4種納米流體的光熱轉換性能，分析了顆粒種類、質量分數(shù)、分散劑、pH值、顆粒形狀對納米流體光熱轉換性能的影響，并且對比了普通玻璃管內(nèi)納米流體與全玻璃真空管內(nèi)水的集熱性能。實驗結果表明，納米流體的光熱轉換性能優(yōu)于去離子水和全玻璃真空管，其中TiC-H2O納米流體的光熱轉換性能最好，最高溫度比水高出21.76%；分散劑能增強納米流體的光熱轉換性能，并且不同納米流體最適合的分散劑也不同；納米流體存在其最佳的質量分數(shù)和pH值，其中SiC-H2O最適宜的質量分數(shù)為0.1%，最佳pH值為9；粒子形狀對光熱轉換性能有較大影響。在55 ℃以下，SiC-H2O納米流體直接吸收式集熱效率高于全玻璃真空管內(nèi)水的間接吸收集熱效率，兩者效率的最高差值可達30%。但在更高溫度下，納米流體集熱效率迅速下降。

關鍵詞：納米流體；光熱性能；太陽能；太陽集熱管；穩(wěn)定性

第一作者及聯(lián)系人：宋景東（1968—），男，碩士，研究員，研究方向為多相流動與傳熱。E-mail 2356035718@qq.com。

1995年CHOI［1］首次提出納米流體的概念之后，納米流體因其良好的熱運輸性能和納米粒子特殊的光吸收性能［2］，受到國內(nèi)外學者的廣泛重視。并針對多種納米流體在太陽集熱器中的光熱轉換性能和熱效率進行了研究。例如毛凌波等［3］研究了碳包銅納米流體的光熱轉換性能。YOUSEFI等［4-5］實驗研究了MWCNT-H2O納米流體的質量分數(shù)、流速、pH值等對太陽集熱器熱效率的影響。何欽波等［6］采用紫外-可見-近紅外分光光度計結合積分球原理測試了Cu-H2O、Co-H2O、MWCNT-H2O的透射率，表明不同粒子在不同波段有不同的光吸收性能。另外研究者對納米流體的黏度、熱導率和穩(wěn)定性方面研究也較多［7-9］。

針對SiC、TiC這兩種粒子光熱轉換性能方面研究較少，尤其缺乏粒子形狀對光熱轉換性能影響的實驗研究。因此，本文選用SiC、TiC、Al2O3（α和γ）4種納米粒子對其光熱轉換性能進行實驗研究并且對比了納米流體與全玻璃真空管的集熱性能，分析了納米流體種類、質量分數(shù)、分散劑、pH值和粒子形狀對光熱轉換性能的影響，以求為探索納米流體光熱轉換性能提供支持。

1 實驗部分

1.1 納米流體的配制

本實驗采用兩步法配制納米流體。實驗選用SiC、TiC、Al2O3（α和γ）4種納米粒子，表1為納米粒子的參數(shù)。首先稱量一定質量的納米粒子，將其與去離子水（基液）混合，然后加入一定量的分散劑，本實驗分散劑采用十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和阿拉伯樹膠。使用 HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)納米流體的pH值。使用雷磁SJ-3F實驗室pH計來測定溶液的pH值。最后放在超聲波震蕩儀中（超聲波頻率為40kHz）震蕩30min。圖1 為4種納米粒子的掃描電鏡（SEM）圖像。

表1 納米粒子的參數(shù)

1.2 納米流體的穩(wěn)定性

納米流體的穩(wěn)定性非常關鍵，不僅影響納米流體的熱物性也是科研和工程應用的前提。圖2（a）為室溫下通過沉降法觀測4種納米流體實驗結束后30天內(nèi)的穩(wěn)定性的照片。納米流體的分散劑都采用十二烷基苯磺酸鈉，經(jīng)過觀察，30天后4種納米流體沒有明顯的分層現(xiàn)象，都有很好的懸浮效果，穩(wěn)定性較好。同時采用紫外可見分光光度計測量懸浮液的透射率用以分析納米流體穩(wěn)定性，結果如圖2（b）所示，與沉降觀測的結果基本一致。在36天以后，納米流體透射率變化較小，穩(wěn)定性變化不大。另外王良虎等［10］通過靜置對比和TEM表征研究了納米流體的穩(wěn)定性，并發(fā)現(xiàn)適量的分散劑和超聲時間使得CuO納米流體靜置長達一年仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；圖2（c）為納米流體放于50℃恒溫水浴18天內(nèi)的透射比的變化趨勢，Al2O3（γ）-H2O和Al2O3（α）-H2O的穩(wěn)定性較常溫下變化明顯，SiC-H2O和TiC-H2O的穩(wěn)定性仍然較好，并且隨著時間的增長，透射率的變化率也有變小的趨勢，表明以上納米流體適用于后期的實驗研究和應用。

1.3 光熱性能實驗

對玻璃管內(nèi)不同納米流體進行悶曬實驗，通過悶曬溫度的變化來判斷流體光熱轉換性能的優(yōu)劣。悶曬實驗裝置示意圖如圖3（a）所示，4根石英玻璃試管（內(nèi)徑28mm，長度為250mm）被放置在聚苯乙烯泡沫板上，各試管之間的聚苯乙烯泡沫可用來保溫和防止它們的溫度互相影響，且將聚苯乙烯泡沫板與水平面成40°。石英玻璃的透光率要比普通玻璃高，能保證更多的光經(jīng)過納米流體。試管內(nèi)納米流體的體積占容積的4/5，可保證各納米流體有相同的體積和吸收輻射的面積。實驗采用K型熱電偶（精度0.5%，測溫范圍0～1000℃）測量納米流體溫度，通過數(shù)據(jù)采集器（USB-4716）讀取溫度數(shù)據(jù)。另外采用普通玻璃管和帶選擇性涂層的全玻璃真空管（內(nèi)徑 35mm）用以對比納米流體與全玻真空管集熱性能。環(huán)境濕度和環(huán)境溫度通過 PC-4環(huán)境監(jiān)測儀測定，環(huán)境平均溫度為 24℃。周圍墻體的溫度與環(huán)境溫度基本保持一致。采用TRM-PD1人工太陽模擬發(fā)射器來提供太陽光源。模擬光源光譜范圍為280～3000nm，輻照度可調(diào)范圍為600～1200W/m2。光的不均勻度為5%，1h內(nèi)光的不穩(wěn)定度為5%。光譜分布為class B。輻照度通過TBQ-2A總輻射表［靈敏度6.98μV/（W·m2）］測定。圖3（b）為整體實驗裝置實物圖。

圖2 納米流體的穩(wěn)定性

圖3 光熱性能實驗裝置圖

2 實驗結果和分析

2.1 不同納米流體的光熱性能

質量分數(shù)為0.1%的3種不同納米流體（分散劑均采用十二烷基苯磺酸鈉）和去離子水的溫升曲線如圖4所示。圖中G為輻照度，單位為W/m2。在悶曬過程中，TiC-H2O納米流體溫升最快，最高溫度比去離子水高出21.76%。SiC-H2O納米流體僅次于TiC-H2O，其最高溫度比去離子水高出16.14%。Al2O3（γ）-H2O的最高溫度比去離子水高出6.6%。所以對于直接吸收式太陽集熱器，納米流體的光熱轉換性能要明顯優(yōu)于水。

如圖4所示，去離子水中添加納米粒子提高了其光熱轉換性能。這主要由于納米粒子的光吸收性能和傳熱性能。由于粒子尺寸為納米級，可以將納米流體作為膠體處理。粒子對輻射不僅有反射和吸收，還有散射，可以采用Mie散射理論進行分析。Mie散射理論是球形顆粒光散射和吸收的通用理論，適用于任意的光學常數(shù)和尺寸的顆粒，但其計算比較復雜，因此實踐中常常采用一些近似的理論。當顆粒粒徑很小，并且顆粒光學常數(shù)適中，即χ（m-1）＜＜1時，采用Rayleigh散射理論分析，如式（1）～式（3）。

圖4 3種不同納米流體溫升曲線

式中，Qe，λ為衰減效率；Qs，λ為散射效率；Qa，λ為吸收效率；χ為尺寸參數(shù)；χ=πD/λ（其中D為顆粒粒徑；λ為波長）；m為復折射率；Im為取虛部的符號。

由式（2）、式（3）可知，吸收效率Qa，λ與χ成正比，散射效率Qs，λ與χ4成正比。當χ＜＜1時，無論m為何值，粒子均以吸收為主。本實驗所用納米粒子粒徑遠小于太陽光譜波長，符合Rayleigh散射理論［3］，故納米流體在整個太陽光譜范圍內(nèi)有很強的消光作用。不同種類的納米流體其實驗的溫升也有明顯的差異，這主要取決于納米粒子的熱物性，不同的納米粒子這些特性都有所不同，故導致不同納米流體的溫升速率不同。

2.2 質量分數(shù)對納米流體光熱性能的影響

圖5為不同質量分數(shù)的SiC-H2O納米流體和去離子水的溫升曲線，實驗采用十二烷基苯磺酸鈉為分散劑。從圖中很容易看出，納米流體的溫升要比去離子水高；另外質量分數(shù)0.1%和0.05%的納米流體溫升最快，其次是質量分數(shù)為0.2%，再次是0.01%的納米流體，質量分數(shù)為0.1%、0.05%、0.2%、0.01%納米流體的最高溫升分別比去離子水高出19.55%、19.32%、12.5%、3.41%。

圖5 SiC-H2O納米流體在不同質量分數(shù)下溫升曲線

質量分數(shù)0.1%以下，隨著質量分數(shù)的增加，溫升速率提高，光熱轉換性能增強。但是質量分數(shù)增長至0.2%時，它的溫升速率低于質量分數(shù)為0.1%和 0.05%的納米流體。濃度過大的納米流體穩(wěn)定性變差甚至會導致聚沉，從而致使光熱轉換性能下降。所以在利用納米流體做直接吸收式太陽集熱器的工質時，適當?shù)馁|量分數(shù)非常關鍵。

2.3 分散劑對納米流體光熱性能的影響

圖6給出了以阿拉伯樹膠、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨作為TiC-H2O（0.1%，質量分數(shù)）和SiC-H2O（0.1%）納米流體的分散劑的溫升情況。十六烷基三甲基溴化銨是陽離子型分散劑，十二烷基苯磺酸鈉是陰離子型分散劑，阿拉伯樹膠屬于天然高分子型分散劑。從圖6（a）中可以看出加入分散劑的納米流體要比不加入分散劑的納米流體的溫升速率高。用阿拉伯樹膠作為分散劑的TiC-H2O納米流體的溫升最高。

從圖 6（b）可以看出加入十六烷基三甲基溴化銨的SiC-H2O納米流體光熱轉換性能最好。阿拉伯樹膠和十二烷基苯磺酸鈉效果接近。TiC-H2O 和SiC-H2O納米流體最適宜的分散劑不同，這和納米粒子所帶電荷、添加分散劑的量以及分散劑的作用機理有關。所以添加不同的分散劑到納米流體里會有不同的分散效果，導致光熱轉換性能有所不同。

2.4 pH值對納米流體光熱性能的影響

圖7為SiC-H2O（0.1%）納米流體在不同pH值下的溫升曲線，分散劑采用阿拉伯樹膠。pH值為9的情況溫升最快，最高悶曬溫度達到了53.3℃。當pH值小于9時，隨著pH值的增大，最高溫度也升高。當pH值為11時，最高溫度反而降低了。

圖6 納米流體在不同分散劑下溫升曲線

圖7 SiC-H2O納米流體在不同pH值下的溫升曲線

圖8 SiC-H2O納米流體在不同pH值下的透射電鏡圖片

pH值對納米流體的穩(wěn)定性影響非常顯著，在pH值等于9時，SiC-H2O納米流體穩(wěn)定性最佳，對太陽輻射吸收率最高，這可以引用 Zeta電位來解釋。Zeta電位的絕對值越大，納米流體的穩(wěn)定性就越好。在pH等于9時，Zeta電位的絕對值為43.46，粒子之間的靜電排斥力較強，所以分散特性就較好；當pH等于3時，由于粒子表面的Zeta電位絕對值等于6.37，粒子間的靜電斥力比引力小，粒子的布朗運動使粒子碰撞聚沉，穩(wěn)定性就變差，導致光熱轉換性能下降。當pH小于9時，隨著pH值的增大，粒子表面的Zeta電位的絕對值也增大，粒子間的靜電斥力能夠阻止粒子由布朗運動引起的碰撞和吸引。當pH大于9時，隨著pH值的增加，pH值調(diào)節(jié)劑（NaOH）濃度增大，壓縮雙電層，Zeta電位絕對值和靜電斥力減小導致分散性變差［11］，所以pH等于 11時，納米流體的光熱轉換性能很低。另外，圖8為不同pH值下的透射電鏡（TEM）圖像，從透射電鏡圖像也可以很清楚看出納米粒子的分散性和穩(wěn)定性，與實驗測試的結果一致。

2.5 納米粒子的形狀對光熱性能的影響

圖 9為質量分數(shù)為 0.1%的 Al2O3（α）-H2O和Al2O3（γ）-H2O 納米流體在悶曬實驗過程中溫升情況。從圖中可以看出，Al2O3（γ）-H2O納米流體的溫升速率大于 Al2O3（α）-H2O，其悶曬最高溫度比Al2O3（α）-H2O高 4.35%。Al2O3（α）納米粒子是球形的，而Al2O3（γ）納米粒子是近球形的，Al2O3（γ）納米粒子的比表面積大于Al2O3（α）。所以在相同的質量分數(shù)下，Al2O3（γ）納米粒子有較大的表面積吸收更多的太陽輻射，故Al2O3（γ）-H2O光熱轉換性能優(yōu)于Al2O3（α）-H2O。

2.6 直接吸收式納米流體與全玻璃真空管的集熱性能比較

圖10為全玻璃真空管內(nèi)SiC-H2O及水和普通玻璃管內(nèi)的SiC-H2O的溫升曲線。將3根玻璃管在相同的太陽輻照度下進行悶曬實驗。傾斜面上的總輻照度由TBQ-2A總輻射表測量；模擬太陽光輻照度的波動范圍為 864～996W/m2；納米流體的質量分數(shù)均為0.1%。從圖10中可以看出，悶曬過程的前40min，普通玻璃管內(nèi)SiC-H2O的溫升速率要高于全玻璃真空管內(nèi)水，故直接吸收式SiC-H2O的光熱轉換性能要優(yōu)于全玻璃真空管。但隨著溫度的升高，散熱損失增加，導致普通玻璃管內(nèi)SiC-H2O溫升速率逐漸降低，而水的溫升速率基本不變。

圖9 兩種不同粒子形狀的Al2O3-H2O納米流體溫升曲線

圖10 直接吸收式納米流體與全玻璃真空管光熱性能的比較

由于在全玻璃真空管內(nèi)太陽輻射主要被涂層吸收，在全玻璃真空管內(nèi)的SiC-H2O不能發(fā)揮其優(yōu)異的光吸收性能，故在悶曬的前階段，其溫度要比普通玻璃管內(nèi)的SiC-H2O低。另外，全玻璃真空管內(nèi)SiC-H2O溫度比水高，主要是由于SiC-H2O的熱導率高于水，室溫下 SiC-H2O納米流體的熱導率為0.604W/（m·K），水的熱導率為0.582W/（m·K），并且納米粒子與流體間存在微對流，強化了流體與納米粒子間的能量遷移。

悶曬實驗過程中，在ti時刻的瞬時吸熱量如式（4）。

式中，mnf為納米流體質量；cnf為納米流體的比熱容。

單根集熱管的瞬時效率如式（5）。

式中，A為單根集熱管的采光面積。

基于歸－化溫差的瞬時效率可表述如式（6）［12］。

式中，η0為集熱過程最大瞬時效率，也是歸一化溫差瞬時效率曲線的截距；UL為總散熱損失系數(shù)；Ti為工質溫度；Ta為環(huán)境溫度。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)點擬合出來的瞬時效率與歸一化溫差的關系如式（7）、式（8）。

SiC-H2O納米流體（普通玻璃管）

水（全玻璃真空管）

圖11為普通玻璃管內(nèi)SiC-H2O與全玻璃真空管內(nèi)水的瞬時效率的對比。當流體溫度等于環(huán)境溫度時，直接吸收式SiC-H2O的瞬時效率最高達到了0.72，全玻璃真空管內(nèi)水的最大瞬時效率達到0.42。隨著普通玻璃管內(nèi)的流體溫度的升高，流體與環(huán)境溫度的溫差也逐漸增大，輻射散熱損失增加，集熱效率降低。在55℃以內(nèi)，直接吸收式SiC-H2O的集熱效率高于全玻璃真空管，但其隨著歸一化溫差的增大，效率是降低的。在悶曬實驗過程中，SiC-H2O在普通玻璃管內(nèi)的散熱損失系數(shù)為13.57，而全玻璃真空管散熱損失基本可以忽略。當SiC-H2O溫度高于55℃，其散熱損失過大，集熱效率低于全玻璃真空管內(nèi)水。

圖11 SiC-H2O納米流體與全玻璃真空管的集熱瞬時效率

盡管SiC-H2O有很高的輻射吸收率，但在較高溫度下，普通玻璃管有很大的紅外發(fā)射率，產(chǎn)生了較高的輻射散熱損失。全玻璃真空管選擇性吸收涂層對光有高吸收和紅外發(fā)射率低等性能，抑制了一部分熱損失［13］。

3 結 論

（1）與去離子水相比，納米流體都具有良好的光熱轉換性能，TiC-H2O最優(yōu)，其次是SiC-H2O、Al2O3（γ）-H2O，最差是Al2O3（α）-H2O。

（2）在本文實驗范圍內(nèi)，納米流體存在最佳的分散劑，最適宜的pH值和質量分數(shù)。適合SiC-H2O的分散劑為十六烷基三甲基溴化銨，最佳pH值為9，適宜的質量分數(shù)為0.1%；TiC-H2O適合的分散劑是阿拉伯樹膠。由于 Al2O3（γ）粒子的比表面積比Al2O3（α）大，故Al2O3（γ）-H2O的光熱轉換性能要優(yōu)于Al2O3（α）-H2O。

（3）普通玻璃管內(nèi) SiC-H2O納米流體的光熱轉換性能要優(yōu)于全玻璃真空管。在 55℃以下，SiC-H2O納米流體直接吸收式的集熱效率高于全玻璃真空管內(nèi)水的集熱效率。在更高的溫度下，由于散熱損失增大，集熱效率迅速降低。

參 考 文 獻

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Experimental investigation on photo-thermal properties of nanofluid for the solar tube

SONG Jingdong，SUN Juan，SUN Bin
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Abstract:In this article，SiC-H2O，TiC-H2O，and Al2O3-H2O （α and γ） nanofluid were prepared through a two-step method，and the photo-thermal properties of the four nanofluids were studied by an insolation experiment. The impacts of the types of the nanoparticle，mass fraction，dispersants，pH value and particle shapes on photo-thermal properties of nanofluid were investigated. This study also compared the photo-thermal properties of nanofluid in ordinary glass tube and water in all-glass vacuum tube. The results show that photo-thermal properties of nanofluid are better than those of deionized water and all-glass vacuum tube. Among the nanofulids，the performance of TiC-H2O nanofluid is the best，with the peak temperature of 21.76% higher than that of deionized water. Dispersants can enhance the photo-thermal properties of nanofluid，but，each nanofluid has its own suitable dispersants. The optimal mass fraction and pH value are found in this experiment，and those for SiC-H2O are 0.1%（mass fraction） and 9，respectively. The shape of particle also has a major impact on the photo-thermal properties of nanofluid.Under the 55℃，direct absorption collecting efficiency using SiC-H2O nanofluid is higher than that of traditional all-glass vacuum tube using water，the maximal efficiency difference between the two collectors can be up to 30%，but the efficiency for nanofulids decreases rapidly at higher temperature.

Key words:nanofluid； photo-thermal property； solar energy； solar collector tube； stability

中圖分類號：TK 121

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1314-07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.008

收稿日期：2015-10-20；修改稿日期：2015-11-12。