纳米流体在太阳能集热器热管中的应用研究

摘 要：大量的实验研究表明，纳米流体的导热系数明显地高于其基液的导热系数，在强化传热方面和沸腾传热方面都有巨大的潜能。作为一种新型传热冷却工质，纳米流体已成功应用于热管强化传热领域。从目前的研究情况来看，需要从热管的使用寿命、可靠性和经济性等方面对纳米流体热管及其传热机理和传热性能进行深入研究与完善。

关键词：纳米流体；太阳能；应用

如何提高太阳辐射能的转换效率一直是科研人员研究的重点，虽然我国的真空管集热技术拥有国际领先水平，但限于玻璃真空管本身易炸管、承载能力低、热启动速度慢等缺陷，国外一直较少采用。近十几年来，随着热管技术的出现及对纳米流体研究的深入，将纳米流体和热管技术相结合，应用于太阳能集热器成了一个新兴的技术领域。

1 纳米流体介质的提出

在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的高效传热元件之一，它依靠自身内部工作液体相变来传递热量，可将大量热量通过其很小的截面积远距离地输送而无需外加动力。经过几十年研究，热管技术已从最初的满足空间需要，到现在广泛地应用于航天领域，广泛地应用冶金、石油、化工及电子等各个领域。在太阳能热利用方面，热管的应用克服了玻璃管易炸管、承载能力低、热启动速度慢等缺陷[1]，因此受到了太阳能企业的欢迎。

1995年，美国Argonne国家实验室[2]首次提出纳米流体的概念：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的高效传热工质。目前，基于纳米流体普通热管的集热器研究还比较少[3]，因此，我们通过实验研究了TiC/H2O纳米流体的传热性能，为集热器设计提供了依据。

2 试验系统设计

2.1 热管管壁材料选取

根据我国管材的规定（GB/T 1527-1997），选用壁厚S=0.7mm、外径为9.5mm的铜管，长度为750mm，热管蒸发段长度Le=300mm，冷凝段长度Lc=450mm。

2.2 纳米流体的选择

纳米颗粒方面，常用的纳米颗粒包括金属粒子如Au，Ag，Cu，Fe；氧化物粒子如CuO，SiO2，Al2O3，TiO2，ZnO，Fe3O4；碳化物如SiC，TiC；氮化物如AlN，SiN以及碳纳米管等[4]。基液方面，常用的有水，乙二醇，机油，以及各类制冷剂溶液等。目前，国内应用广泛的是铜-水热管、无机工质热管[5]，而国外，研究较多的是把热管的工质用有机物代替。综合分析不同颗粒的化学性能特点，结合与热管管壁材质的相容性，我们最终以TiO2/H2O纳米流体为工质为研究对象，对不同浓度和不同充液率的多根TiO2/H2O纳米流体重力热管的启动性能和传热性能进行测试。

2.3 纳米流体的制备方法

纳米流体的制备方法有两种：一步法和两步法。一步法是将纳米颗粒的制备过程和纳米颗粒在基液中的分散过程同时完成。两步法是将制备好的纳米颗粒通过某种手段分散到基液中，制备和分散过程分两步进行。一步法制备的纳米流体中纳米颗粒分散均匀，悬浮液具有较高的分散性。但是由于一步法制备工艺复杂，所需设备昂贵，不具备大批量生产的能力，所以现阶段主要采用两步法制备纳米流体。

两步法制备纳米流体具有操作简便，易于控制悬浮液的纳米颗粒的体积分数的特点，但流体稳定性不足，可以通过采用高压微射流分散仪制备形成稳定的纳米流体[6]。

2.4 纳米流体充液率设计

现有研究成果表明，以Ag/H2O纳米流体热管在充液率为60%时传热性能较好，Fe3O4/H2O的最佳充液率为40%，CuO/H2O纳米流体脉动热管充液率采用55%时传热性能较好[7]。多数研究表明，纳米流体较佳的充液率为50%～60%。所以，我们设计的实验参数为：质量百分比为0.2%～1%，充液率为50%～70%，如表1所示。

表1 重力热管冲液参数设计

3 试验方法

将热管竖直放置，纳米流体热管采用恒温水浴加热方法加热，蒸发段加热温度取90℃，冷凝段完全暴露在25℃的空气中，通过自然对流和辐射换热进行冷却。热管的管壁温度通过均布在外壁上的四对镍铬-镍铜热电偶测量，热电阻连接至Agilent数据采集仪，通过RS232/RS485信号转换器连接到计算机的COM端口，在计算机软件实时采集和记录测量结果。

4 实验结果分析

热管的换热系数与纳米颗粒的种类、粒径的大小、加入量的比例等因素都有关系，热管的稳定性也与加入微米级颗粒有关。在选定纳米粒子的种类和大小后，我们通过测试实验测试了纳米粒子热管的传热性能，得出了粒子浓度和冲液比对传热性能的影响趋势。

表2 重力热管冲液传热性能测试

根据实验结果，我们可以得出如下结论：

（1）质量百分比为0.2%～1%的纳米流体热管的启动时间比去离子水热管明显缩短。

（2）随着纳米流体粒子浓度的增加，热管的启动时间呈降低趋势，但当粒子浓度大于一定程度时，随着浓度的增加，热管的启动时间反而会增加。

（3）相同条件下纳米流体热管的等温性比水热管好，传热能力显著提升。

另外，我们将一定浓度和冲液比的热管倾斜不同角度惊醒的传热测试，结果发现，当热管倾斜角度为70°～90°时，启动时间变化不大；当倾斜角度减小到40°时，启动时间明显增加，这说明：重力热管的传热效果与热管安装角度有较大的关系。

5 结束语

加入纳米粉后热管的换热性能得到了明显的改善，可以认为： 因为纳米材料的比表面积很大而具有大的比表面能，当工作流体加热时，纳米粉的布朗运动速度很大，促使气泡很快地脱离壁面，在蒸发段既加强了液体的扰动，又增加了有效蒸发面积，从而使沸腾换热得以强化。纳米粉的布朗运动使颗粒间频繁碰撞，加速了热量在悬浮液内的传递，增大有效导热系数。

参考文献

[1]周小波，蒋富林，等.热管式真空太阳能集热管及其应用[J].太阳能，2011.

[2]Choi S U S. Enhancing Therm al Conductiv ity of Fluids with Nanoparticles.Developm ents and Applications of Non-Newtonian Flows[J].New York：SAME，1995.

[3]赵蔚琳，刘宗明，等.基于纳米流体热管的研究综述[J].化工机械，2009.

[4]张于峰，谢慧，李德英，等.碳钢水热虹吸管传热性能的实验研究[J].天津大学学报，2006.

[5]南照东，谭志诚.高效热管传热工质的热力学研究[J].物理化学学报，2003，19，883～885.

[6]王辉，骆仲泱，等.SiO2纳米流体透射率影响因素实验研究[J].浙江大学学报，2010.

[7]纪玉龙，徐陈，等.纳米流体对脉动热管最佳充液率的影响[J].工程热物理学报，2012.

作者简介：王万新（1971-），男，山东平原人，讲师，硕士，主要从事机械制造自动化研究。