太阳集热管纳米流体的光热性能实验

宋景东，孙娟，孙斌（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）



研究开发

太阳集热管纳米流体的光热性能实验

宋景东，孙娟，孙斌
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

摘要：采用两步法制备SiC-H2O、TiC-H2O、Al2O3-H2O（α和γ）4种纳米流体，通过闷晒实验研究了4种纳米流体的光热转换性能，分析了颗粒种类、质量分数、分散剂、pH值、颗粒形状对纳米流体光热转换性能的影响，并且对比了普通玻璃管内纳米流体与全玻璃真空管内水的集热性能。实验结果表明，纳米流体的光热转换性能优于去离子水和全玻璃真空管，其中TiC-H2O纳米流体的光热转换性能最好，最高温度比水高出21.76%；分散剂能增强纳米流体的光热转换性能，并且不同纳米流体最适合的分散剂也不同；纳米流体存在其最佳的质量分数和pH值，其中SiC-H2O最适宜的质量分数为0.1%，最佳pH值为9；粒子形状对光热转换性能有较大影响。在55 ℃以下，SiC-H2O纳米流体直接吸收式集热效率高于全玻璃真空管内水的间接吸收集热效率，两者效率的最高差值可达30%。但在更高温度下，纳米流体集热效率迅速下降。

关键词：纳米流体；光热性能；太阳能；太阳集热管；稳定性

第一作者及联系人：宋景东（1968—），男，硕士，研究员，研究方向为多相流动与传热。E-mail 2356035718@qq.com。

1995年CHOI［1］首次提出纳米流体的概念之后，纳米流体因其良好的热运输性能和纳米粒子特殊的光吸收性能［2］，受到国内外学者的广泛重视。并针对多种纳米流体在太阳集热器中的光热转换性能和热效率进行了研究。例如毛凌波等［3］研究了碳包铜纳米流体的光热转换性能。YOUSEFI等［4-5］实验研究了MWCNT-H2O纳米流体的质量分数、流速、pH值等对太阳集热器热效率的影响。何钦波等［6］采用紫外-可见-近红外分光光度计结合积分球原理测试了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。另外研究者对纳米流体的黏度、热导率和稳定性方面研究也较多［7-9］。

针对SiC、TiC这两种粒子光热转换性能方面研究较少，尤其缺乏粒子形状对光热转换性能影响的实验研究。因此，本文选用SiC、TiC、Al2O3（α和γ）4种纳米粒子对其光热转换性能进行实验研究并且对比了纳米流体与全玻璃真空管的集热性能，分析了纳米流体种类、质量分数、分散剂、pH值和粒子形状对光热转换性能的影响，以求为探索纳米流体光热转换性能提供支持。

1 实验部分

1.1 纳米流体的配制

本实验采用两步法配制纳米流体。实验选用SiC、TiC、Al2O3（α和γ）4种纳米粒子，表1为纳米粒子的参数。首先称量一定质量的纳米粒子，将其与去离子水（基液）混合，然后加入一定量的分散剂，本实验分散剂采用十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和阿拉伯树胶。使用 HCl和NaOH溶液调节纳米流体的pH值。使用雷磁SJ-3F实验室pH计来测定溶液的pH值。最后放在超声波震荡仪中（超声波频率为40kHz）震荡30min。图1 为4种纳米粒子的扫描电镜（SEM）图像。

表1 纳米粒子的参数

1.2 纳米流体的稳定性

纳米流体的稳定性非常关键，不仅影响纳米流体的热物性也是科研和工程应用的前提。图2（a）为室温下通过沉降法观测4种纳米流体实验结束后30天内的稳定性的照片。纳米流体的分散剂都采用十二烷基苯磺酸钠，经过观察，30天后4种纳米流体没有明显的分层现象，都有很好的悬浮效果，稳定性较好。同时采用紫外可见分光光度计测量悬浮液的透射率用以分析纳米流体稳定性，结果如图2（b）所示，与沉降观测的结果基本一致。在36天以后，纳米流体透射率变化较小，稳定性变化不大。另外王良虎等［10］通过静置对比和TEM表征研究了纳米流体的稳定性，并发现适量的分散剂和超声时间使得CuO纳米流体静置长达一年仍处于稳定状态；图2（c）为纳米流体放于50℃恒温水浴18天内的透射比的变化趋势，Al2O3（γ）-H2O和Al2O3（α）-H2O的稳定性较常温下变化明显，SiC-H2O和TiC-H2O的稳定性仍然较好，并且随着时间的增长，透射率的变化率也有变小的趋势，表明以上纳米流体适用于后期的实验研究和应用。

1.3 光热性能实验

对玻璃管内不同纳米流体进行闷晒实验，通过闷晒温度的变化来判断流体光热转换性能的优劣。闷晒实验装置示意图如图3（a）所示，4根石英玻璃试管（内径28mm，长度为250mm）被放置在聚苯乙烯泡沫板上，各试管之间的聚苯乙烯泡沫可用来保温和防止它们的温度互相影响，且将聚苯乙烯泡沫板与水平面成40°。石英玻璃的透光率要比普通玻璃高，能保证更多的光经过纳米流体。试管内纳米流体的体积占容积的4/5，可保证各纳米流体有相同的体积和吸收辐射的面积。实验采用K型热电偶（精度0.5%，测温范围0～1000℃）测量纳米流体温度，通过数据采集器（USB-4716）读取温度数据。另外采用普通玻璃管和带选择性涂层的全玻璃真空管（内径 35mm）用以对比纳米流体与全玻真空管集热性能。环境湿度和环境温度通过 PC-4环境监测仪测定，环境平均温度为 24℃。周围墙体的温度与环境温度基本保持一致。采用TRM-PD1人工太阳模拟发射器来提供太阳光源。模拟光源光谱范围为280～3000nm，辐照度可调范围为600～1200W/m2。光的不均匀度为5%，1h内光的不稳定度为5%。光谱分布为class B。辐照度通过TBQ-2A总辐射表［灵敏度6.98μV/（W·m2）］测定。图3（b）为整体实验装置实物图。

图2 纳米流体的稳定性

图3 光热性能实验装置图

2 实验结果和分析

2.1 不同纳米流体的光热性能

质量分数为0.1%的3种不同纳米流体（分散剂均采用十二烷基苯磺酸钠）和去离子水的温升曲线如图4所示。图中G为辐照度，单位为W/m2。在闷晒过程中，TiC-H2O纳米流体温升最快，最高温度比去离子水高出21.76%。SiC-H2O纳米流体仅次于TiC-H2O，其最高温度比去离子水高出16.14%。Al2O3（γ）-H2O的最高温度比去离子水高出6.6%。所以对于直接吸收式太阳集热器，纳米流体的光热转换性能要明显优于水。

如图4所示，去离子水中添加纳米粒子提高了其光热转换性能。这主要由于纳米粒子的光吸收性能和传热性能。由于粒子尺寸为纳米级，可以将纳米流体作为胶体处理。粒子对辐射不仅有反射和吸收，还有散射，可以采用Mie散射理论进行分析。Mie散射理论是球形颗粒光散射和吸收的通用理论，适用于任意的光学常数和尺寸的颗粒，但其计算比较复杂，因此实践中常常采用一些近似的理论。当颗粒粒径很小，并且颗粒光学常数适中，即χ（m-1）＜＜1时，采用Rayleigh散射理论分析，如式（1）～式（3）。

图4 3种不同纳米流体温升曲线

式中，Qe，λ为衰减效率；Qs，λ为散射效率；Qa，λ为吸收效率；χ为尺寸参数；χ=πD/λ（其中D为颗粒粒径；λ为波长）；m为复折射率；Im为取虚部的符号。

由式（2）、式（3）可知，吸收效率Qa，λ与χ成正比，散射效率Qs，λ与χ4成正比。当χ＜＜1时，无论m为何值，粒子均以吸收为主。本实验所用纳米粒子粒径远小于太阳光谱波长，符合Rayleigh散射理论［3］，故纳米流体在整个太阳光谱范围内有很强的消光作用。不同种类的纳米流体其实验的温升也有明显的差异，这主要取决于纳米粒子的热物性，不同的纳米粒子这些特性都有所不同，故导致不同纳米流体的温升速率不同。

2.2 质量分数对纳米流体光热性能的影响

图5为不同质量分数的SiC-H2O纳米流体和去离子水的温升曲线，实验采用十二烷基苯磺酸钠为分散剂。从图中很容易看出，纳米流体的温升要比去离子水高；另外质量分数0.1%和0.05%的纳米流体温升最快，其次是质量分数为0.2%，再次是0.01%的纳米流体，质量分数为0.1%、0.05%、0.2%、0.01%纳米流体的最高温升分别比去离子水高出19.55%、19.32%、12.5%、3.41%。

图5 SiC-H2O纳米流体在不同质量分数下温升曲线

质量分数0.1%以下，随着质量分数的增加，温升速率提高，光热转换性能增强。但是质量分数增长至0.2%时，它的温升速率低于质量分数为0.1%和 0.05%的纳米流体。浓度过大的纳米流体稳定性变差甚至会导致聚沉，从而致使光热转换性能下降。所以在利用纳米流体做直接吸收式太阳集热器的工质时，适当的质量分数非常关键。

2.3 分散剂对纳米流体光热性能的影响

图6给出了以阿拉伯树胶、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵作为TiC-H2O（0.1%，质量分数）和SiC-H2O（0.1%）纳米流体的分散剂的温升情况。十六烷基三甲基溴化铵是阳离子型分散剂，十二烷基苯磺酸钠是阴离子型分散剂，阿拉伯树胶属于天然高分子型分散剂。从图6（a）中可以看出加入分散剂的纳米流体要比不加入分散剂的纳米流体的温升速率高。用阿拉伯树胶作为分散剂的TiC-H2O纳米流体的温升最高。

从图 6（b）可以看出加入十六烷基三甲基溴化铵的SiC-H2O纳米流体光热转换性能最好。阿拉伯树胶和十二烷基苯磺酸钠效果接近。TiC-H2O 和SiC-H2O纳米流体最适宜的分散剂不同，这和纳米粒子所带电荷、添加分散剂的量以及分散剂的作用机理有关。所以添加不同的分散剂到纳米流体里会有不同的分散效果，导致光热转换性能有所不同。

2.4 pH值对纳米流体光热性能的影响

图7为SiC-H2O（0.1%）纳米流体在不同pH值下的温升曲线，分散剂采用阿拉伯树胶。pH值为9的情况温升最快，最高闷晒温度达到了53.3℃。当pH值小于9时，随着pH值的增大，最高温度也升高。当pH值为11时，最高温度反而降低了。

图6 纳米流体在不同分散剂下温升曲线

图7 SiC-H2O纳米流体在不同pH值下的温升曲线

图8 SiC-H2O纳米流体在不同pH值下的透射电镜图片

pH值对纳米流体的稳定性影响非常显著，在pH值等于9时，SiC-H2O纳米流体稳定性最佳，对太阳辐射吸收率最高，这可以引用 Zeta电位来解释。Zeta电位的绝对值越大，纳米流体的稳定性就越好。在pH等于9时，Zeta电位的绝对值为43.46，粒子之间的静电排斥力较强，所以分散特性就较好；当pH等于3时，由于粒子表面的Zeta电位绝对值等于6.37，粒子间的静电斥力比引力小，粒子的布朗运动使粒子碰撞聚沉，稳定性就变差，导致光热转换性能下降。当pH小于9时，随着pH值的增大，粒子表面的Zeta电位的绝对值也增大，粒子间的静电斥力能够阻止粒子由布朗运动引起的碰撞和吸引。当pH大于9时，随着pH值的增加，pH值调节剂（NaOH）浓度增大，压缩双电层，Zeta电位绝对值和静电斥力减小导致分散性变差［11］，所以pH等于 11时，纳米流体的光热转换性能很低。另外，图8为不同pH值下的透射电镜（TEM）图像，从透射电镜图像也可以很清楚看出纳米粒子的分散性和稳定性，与实验测试的结果一致。

2.5 纳米粒子的形状对光热性能的影响

图 9为质量分数为 0.1%的 Al2O3（α）-H2O和Al2O3（γ）-H2O 纳米流体在闷晒实验过程中温升情况。从图中可以看出，Al2O3（γ）-H2O纳米流体的温升速率大于 Al2O3（α）-H2O，其闷晒最高温度比Al2O3（α）-H2O高 4.35%。Al2O3（α）纳米粒子是球形的，而Al2O3（γ）纳米粒子是近球形的，Al2O3（γ）纳米粒子的比表面积大于Al2O3（α）。所以在相同的质量分数下，Al2O3（γ）纳米粒子有较大的表面积吸收更多的太阳辐射，故Al2O3（γ）-H2O光热转换性能优于Al2O3（α）-H2O。

2.6 直接吸收式纳米流体与全玻璃真空管的集热性能比较

图10为全玻璃真空管内SiC-H2O及水和普通玻璃管内的SiC-H2O的温升曲线。将3根玻璃管在相同的太阳辐照度下进行闷晒实验。倾斜面上的总辐照度由TBQ-2A总辐射表测量；模拟太阳光辐照度的波动范围为 864～996W/m2；纳米流体的质量分数均为0.1%。从图10中可以看出，闷晒过程的前40min，普通玻璃管内SiC-H2O的温升速率要高于全玻璃真空管内水，故直接吸收式SiC-H2O的光热转换性能要优于全玻璃真空管。但随着温度的升高，散热损失增加，导致普通玻璃管内SiC-H2O温升速率逐渐降低，而水的温升速率基本不变。

图9 两种不同粒子形状的Al2O3-H2O纳米流体温升曲线

图10 直接吸收式纳米流体与全玻璃真空管光热性能的比较

由于在全玻璃真空管内太阳辐射主要被涂层吸收，在全玻璃真空管内的SiC-H2O不能发挥其优异的光吸收性能，故在闷晒的前阶段，其温度要比普通玻璃管内的SiC-H2O低。另外，全玻璃真空管内SiC-H2O温度比水高，主要是由于SiC-H2O的热导率高于水，室温下 SiC-H2O纳米流体的热导率为0.604W/（m·K），水的热导率为0.582W/（m·K），并且纳米粒子与流体间存在微对流，强化了流体与纳米粒子间的能量迁移。

闷晒实验过程中，在ti时刻的瞬时吸热量如式（4）。

式中，mnf为纳米流体质量；cnf为纳米流体的比热容。

单根集热管的瞬时效率如式（5）。

式中，A为单根集热管的采光面积。

基于归－化温差的瞬时效率可表述如式（6）［12］。

式中，η0为集热过程最大瞬时效率，也是归一化温差瞬时效率曲线的截距；UL为总散热损失系数；Ti为工质温度；Ta为环境温度。

根据实验数据点拟合出来的瞬时效率与归一化温差的关系如式（7）、式（8）。

SiC-H2O纳米流体（普通玻璃管）

水（全玻璃真空管）

图11为普通玻璃管内SiC-H2O与全玻璃真空管内水的瞬时效率的对比。当流体温度等于环境温度时，直接吸收式SiC-H2O的瞬时效率最高达到了0.72，全玻璃真空管内水的最大瞬时效率达到0.42。随着普通玻璃管内的流体温度的升高，流体与环境温度的温差也逐渐增大，辐射散热损失增加，集热效率降低。在55℃以内，直接吸收式SiC-H2O的集热效率高于全玻璃真空管，但其随着归一化温差的增大，效率是降低的。在闷晒实验过程中，SiC-H2O在普通玻璃管内的散热损失系数为13.57，而全玻璃真空管散热损失基本可以忽略。当SiC-H2O温度高于55℃，其散热损失过大，集热效率低于全玻璃真空管内水。

图11 SiC-H2O纳米流体与全玻璃真空管的集热瞬时效率

尽管SiC-H2O有很高的辐射吸收率，但在较高温度下，普通玻璃管有很大的红外发射率，产生了较高的辐射散热损失。全玻璃真空管选择性吸收涂层对光有高吸收和红外发射率低等性能，抑制了一部分热损失［13］。

3 结 论

（1）与去离子水相比，纳米流体都具有良好的光热转换性能，TiC-H2O最优，其次是SiC-H2O、Al2O3（γ）-H2O，最差是Al2O3（α）-H2O。

（2）在本文实验范围内，纳米流体存在最佳的分散剂，最适宜的pH值和质量分数。适合SiC-H2O的分散剂为十六烷基三甲基溴化铵，最佳pH值为9，适宜的质量分数为0.1%；TiC-H2O适合的分散剂是阿拉伯树胶。由于 Al2O3（γ）粒子的比表面积比Al2O3（α）大，故Al2O3（γ）-H2O的光热转换性能要优于Al2O3（α）-H2O。

（3）普通玻璃管内 SiC-H2O纳米流体的光热转换性能要优于全玻璃真空管。在 55℃以下，SiC-H2O纳米流体直接吸收式的集热效率高于全玻璃真空管内水的集热效率。在更高的温度下，由于散热损失增大，集热效率迅速降低。

参 考 文 献

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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

中图分类号：TK 121

文献标志码：A

文章编号：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。