纳米流体太阳集热器的光热性能研究

1、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平均粒径为25 nm的碳包铜纳米颗粒，包覆的碳层有效的避免了周围环境对铜纳米粒子的影响。采用超声波振荡和添加分散剂的方法，将碳包铜纳米颗粒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。通过闷晒实验，研究了碳包铜纳米流体的光热转换性能；通过对集热器热效率的测试，研究了碳包铜纳米流体太阳集热器的热性能，结果表明：添加纳米颗粒后，碳包铜纳米流体的光热转换性能明显优于基液和涂有黑漆的铜管表面。直接吸收式的碳包铜纳米流体太阳集热器显著提高了集热器的集热效率，实验中的最高集热效率可达74.68

2、8%，比传统平板型集热器的集热效率提高了近10%。关键词：碳包铜纳米颗粒；纳米流体；太阳集热器；光热性能中图分类号：TK515文献标识码：A引言1995年，美国Argonne国家实验室的Choi1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

3、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

4、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。纳米颗粒与纳米流体的制备1.1碳包铜纳米颗粒的制备本工作采用直流碳弧法制备了碳包铜纳米颗粒，具体操作过程如下：用直径为5 mm的纯石墨棒做阴极，将纯铜粉（化学纯）和石墨粉（试剂纯）按一定比例混合均匀压制成块状置于铜电极上做阳极（本工作中Cu的质量百分含量为60

5、%），电极间的距离保持在34 mm。将工作室抽真空至2 Pa以下，然后通入高纯He气，He气压控制在50 kPa。直流电压为60 V，控制反应电流在150 A左右。接通电源起弧，两极间形成稳定的电弧，反应室内产生烟状的气流，在工作室器壁上沉积形成烟灰。反应结束后，收集生成的烟灰用甲苯过滤，去掉其中的富勒烯，通过酸洗去掉其中未包覆完全的铜，即得到碳包铜纳米粉体。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，CuK射线石墨单色器，工作电压40 kV，电流30 mA，

6、扫描范围10o80o，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

7、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-particles1.2碳包铜纳米流体的制备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

8、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。2纳米流体的光热性能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。

9、铜管的直径和长度与玻璃试管相同，玻璃试管的型号为20200 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0.0310.036 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 cm22 cm)。太阳辐射透过玻璃盖板后直接被纳米流体或黑漆涂层吸收，纳米流体或黑漆涂层吸收太阳能后，实验流体温度升高。玻璃试管中的碳包铜纳米流体和乙二醇水溶液的闷晒实验结果如图4所示。很明显，添加碳包铜纳米颗粒后，纳米流体的光热转换性能大大增强。从图

10、4中可以看出，碳包铜纳米流体的升温速率明显比乙二醇水溶液的快，而且当闷晒温度趋于稳定后，前者的闷晒温度比后者高了近20 。在相同太阳辐照的条件下，实验流体升温速率和闷晒温度的变化主要取决于实验流体内部的光吸收性能和传热性能。碳包铜纳米流体由于分散相材料的尺寸为纳米级，因此可以近似认为是一种胶体，其光吸收性能可借助于Reyleigh散射理论进行分析。根据Reyleigh散射理论，碳包铜纳米流体的消光效率等于吸收效率与散射效率之和13式中：为消光效率；为吸收效率；为散射效率；为尺寸参数，为颗粒粒径，为波长；为颗粒的复折射率；为取虚部的符号。由式（1）可以知道，纳米颗粒的吸收效率正比于，散射效率正比

11、与。当时，无论纳米颗粒的复折射率为何值，纳米粒子均以吸收为主。由于本工作中所制备的碳包铜纳米颗粒的平均粒径约为25 nm，远小于太阳光谱的波长，其光学性质满足Reyleigh散射理论。同时，碳包铜纳米粒子本身为黑色，具有很强的光吸收性能。因此，在吸收和散射的共同作用下，碳包铜纳米流体对太阳光谱的整个波长范围具有很强的消光作用。碳包铜纳米颗粒的添加对于强化纳米流体传热性能的作用则更加明显：因碳包铜纳米颗粒的导热系数远远大于基液，碳包铜纳米颗粒的添加，改变了基液的结构，增强了纳米流体内部的能量传递过程，而且纳米流体中的碳包铜颗粒由于受布朗力等力的作用，容易在纳米流体中形成布朗扩散和热扩散等微对流现

12、象，这种微对流进一步增强了纳米颗粒和基液间的能量传递过程。实验测得添加了质量分数为0.05%的碳包铜纳米颗粒后，纳米流体的导热系数比基液提高了24%。根据以上分析可以知道，由于碳包铜纳米流体的光吸收性能和传热性能均显著优于乙二醇水溶液，所以碳包铜纳米流体的升温速率和闷晒温度要明显高于乙二醇水溶液。图4 碳包铜纳米流体与基液的光热转换性能比较Fig.4 Photo-thermal properties between nanofluid and based-liquid图5中所示为玻璃试管中的碳包铜纳米流体和表面涂有黑漆的铜管中的乙二醇水溶液在闷晒1 d后实验流体的闷晒温度随时间的变化关系曲线。

13、从图5中可以看出，尽管两种实验流体能够同时达到最高闷晒温度，但从两者的升温过程来看，玻璃试管中的碳包铜纳米流体在升温过程中的闷晒温度始终高于铜管中的乙二醇水溶液。由于上述两种实验流体在闷晒实验中的质量和体积相同，因此两者的升温速率和闷晒温度的变化主要取决于各自的热物性。因碳包铜纳米流体的导热系数要明显高于基液，而比热容却较基液低（室温下，碳包铜纳米流体的比热容为2.38 kJ/(kg.K)，乙二醇水溶液的比热容为3.3 kJ/(kg.K)）。因此，在吸收了同样的太阳辐射热后，碳包铜纳米流体的升温速率和闷晒温度要高于乙二醇水溶液。另外，铜管中的乙二醇水溶液对太阳辐射热的间接吸收也是影响其升温速率

14、和闷晒温度变化的一个重要原因，黑漆涂层吸收太阳辐射热后，还要通过铜管的热传导才能将热量传递给乙二醇水溶液，这种多界面的传热过程势必增加太阳辐射热传递的热阻和散热损失，从而影响铜管内乙二醇水溶液升温速率和闷晒温度的变化。图5 碳包铜纳米流体与黑漆表面的光热转换性能比较Fig.5 Photo-thermal properties between nanofluid and black surface4纳米流体太阳集热器的效率太阳集热器的效率是衡量其热性能的一个重要参量。一天之中，太阳辐射能量的大小随时间而变化。因此，本工作通过测试碳包铜纳米流体太阳集热器的瞬时效率来分析其热性能。根据瞬时效率的定义

15、，基于采光面积和集热器流体进口温度的瞬时效率方程可表示为14式中：为集热效率；为集热器的有用能量收益；为集热器的采光面积；为投射至集热器采光面上的太阳总辐射密度；为热迁移因子；为集热器盖板透射率与吸收率的乘积；为集热器的热损系数；为纳米流体的进口温度；为外界环境温度。假如，和是常数，则从式（2）可以看出，以为纵坐标，为横坐标的效率曲线将是直线，其截距等于，斜率等于。在测试集热器的效率时，通常采用式（3）对集热效率进行计算。式中：为纳米流体的比热；为纳米流体的质量流量；为纳米流体的出口温度。图6 纳米流体太阳集热器效率测试装置示意图Fig.6 Schematic illustration of

16、efficiency testing device for black nanofluids solar collector碳包铜纳米流体太阳集热器集热效率的测试参照国标“GB/T4271-2000平板型太阳集热器热性能试验方法”进行，测试装置示意图如图6所示。采用瞬时法，在稳定或准稳定工况下，于一开式系统中，同时测定流经集热器的纳米流体的质量流量，纳米流体的进、出口温差和集热器采光面上的太阳辐射强度，按式（3）计算集热器的瞬时效率。在本工作中，集热器的采光面积1.5 m2；纳米流体的质量流量=0.18 kg/s，测试过程中保持恒定；碳包铜纳米流体的比热容值=2380 J/(kg.K)；集热器

17、的结构为管板式，集热管管径均采用201.5 mm，管间距取100 mm。表1所示为2007年11月16日对纳米流体太阳集热器进行热性能实验时得出的测试结果。图7为本次测试结果的效率曲线，线性拟合后的瞬时效率曲线可表示为从瞬时效率的线性方程可以看出，截距为0.74688，也就是说，当，以及纳米流体太阳集热器没有热损失时，集热器的最高瞬时集热效率可达74.688%，这个效率比常规平板型集热器的瞬时效率高了近10%左右15，与纳米流体太阳集热器的理论预测值能较好的吻合10。另外，从式（4）也可以发现，效率曲线的斜率为-7.6785，即=7.6785，这说明被测试的集热器存在较大的热损失。这主要是由于

18、该集热器在制作的过程中存在一些保温方面的不足，比如集热器的密封不紧等，造成集热器的热损失增大。集热器热损失的增大直接导致了纳米流体升温速率缓慢，而且一天中纳米流体所能达到的最高温度不高，不过这些问题可以通过增强集热器的保温性能或采用真空管结构等办法来解决。表1碳包铜纳米流体太阳集热器集热效率测试数据Table 1 Efficiency testing data for carbon-coated copper nanofluids图7 碳包铜纳米流体太阳集热器的效率曲线Fig.7 Efficiency curve of carbon-coated copper nanofluids solar

19、 collector5结论1）采用直流碳弧法制备了平均粒径为25 nm的碳包铜纳米颗粒，碳层的包覆有效的阻碍了周围环境对铜纳米粒子的影响。通过超声波振荡和添加分散剂的方法，制备了分散稳定的碳包铜纳米流体。2）添加纳米颗粒后，碳包铜纳米流体的光热转换性能明显优于基液和黑漆涂层表面。纳米流体对太阳辐射的直接吸收过程有效的提高了循环工质对太阳辐射能量的利用率。3）直接吸收式的纳米流体太阳集热器显著提高了集热器的集热效率，实验中的最高瞬时集热效率可达74.688%，比传统平板型集热器的热效率提高了近10%，与文献中的理论预测值能较好的吻合。参考文献1 Choi S U S. Enhancing The

20、rmal Conductivity of Fluids with Nanoparticles J ASME, 1995, 231: 99-105.2 Murshed S M S, Leong K C, Yang C. Investigations of thermal conductivity and viscosity of nanofluids J. International Journal of Thermal Sciences, 2008, 47(5):560-568.3 Polidori G, Fohanno S, Nguyen C T. A Note on Heat Transf

21、er Modeling of Newtonian Nanofluids in Laminar Free Convection J. International Journal of Thermal Sciences, 2007, 46(8): 739-744.4 Heris S Z, Esfahany M N, Etemad S G. Experimental Investigation of Convective Heat Transfer of Al2O3/Water Nanofluid in Circular Tube J. International Journal of Heat a

22、nd Fluid Flow, 2007, 28(2): 203-210.5 Liu Z H, Xiong J G, Bao R. Boiling heat transfer characteristics of nanofluids in a flat heat pipe evaporator with micro-grooved heating surface J. International Journal of Multiphase Flow, 2007, 33(12):1284-1295.6 Ki-Jung Park, Dongsoo Jung. Boiling Heat Transf

23、er Enhancement with Carbon Nanotubes for Refrigerants Used in Building Air-conditioning J. Energy and Buildings, 2007, 39(9): 1061-1064.7 Mao L B, Zhang R Y, Ke X F, et al. Review of direct absorption solar collection systemsJ. Materials Review, 2007, 21(12):12-15.8 骆仲泱, 倪明江, 余春江, 等. 纳米流体太阳能窗式集热器:中国

24、, 200610053634.9P. 2006-09-27.9 赵佳飞, 骆仲泱, 寿春晖, 等. 纳米流体辐射特性与太阳能窗式集热器研究C.可再生能源规模化发展国际研讨会暨第三届泛长三角能源科技论坛论文集. 南京: 江苏省能源研究会. 2006: 63-67.10 Tyagi H., Phelan P.E., Prasher R. Predicted Efficiency of a Nanofluid-Based Direct Absroption Solar Receiver C. ASME Energy Sustainability Conference. California, 200

25、7, 72973611 王瑞金. 磁流体太阳能集热器的温度和热流量特性的实验研究J. 功能材料, 2007, 38:12271230（增刊）12 张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构M. 北京:科学出版社, 2001. 798013 余其铮. 辐射换热原理M. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2000. 17918014 张鹤飞. 太阳能热利用原理与计算机模拟（第2版）M. 西安:西北工业大学出版社, 2004. 11115 王晓燕, 兰清, 湛学先. 平板型与全玻璃真空管型太阳热水器热性能比较分析J. 云南师范大学学报, 2003, 12 (23):4649（增刊）PHOTO-THERMA

26、L PROPERTIES OF NANOFLUID-BASED SOLAR COLLECTORMao Lingbo, Zhang Renyuan, Ke Xiufang(Faculty of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China)Abstract：Carbon-coated copper nanoparticles were prepared by using carbon arc method and carbon-coated copper nanofluid was prepared by ultrasonic dispersion. The p