SiO2 納米流體的制備及在太陽能集熱管中的應(yīng)用研究

肖生鵬，李曉霞，王顥蒙

（1.蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

納米流體是指通過在液體介質(zhì)中添加納米級的金屬或非金屬粒子形成的一類具有較高導(dǎo)熱性能、穩(wěn)定性較好的傳熱工質(zhì)。1995 年，Choi 首次提出納米流體的概念[1]。國內(nèi)外很多學(xué)者針對納米流體優(yōu)異的熱傳輸性能和輻射特性開展的廣泛的研究，Bhanushali對比了四種不同顆粒形態(tài)的銅納米流體的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)在銅納米流體體積分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)，線形銅納米流體的熱導(dǎo)率相比于基液提升了40%[2]。

太陽能作為地球上儲量最豐富的可再生清潔能源，太陽能光熱利用是太陽能清潔高效利用的主要途徑。除了利用常規(guī)方法來提高太陽能集熱器的效率外，其中最有效的方法之一是利用高導(dǎo)熱性能的工質(zhì)來代替原流體介質(zhì)，納米流體的高導(dǎo)熱性能及輻射特性，可用于冷卻光伏板從而提高光電的轉(zhuǎn)換效率，也可用提高太陽能的吸收率等。基于此，通過實(shí)驗(yàn)制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2納米流體，并對其導(dǎo)熱性能進(jìn)行測試，并采用數(shù)值模擬方法對納米流體應(yīng)用于太陽能集熱器的流動特性進(jìn)行分析，本研究為納米流體應(yīng)用于太陽能行業(yè)提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 納米流體的制備

目前制備分散均勻、穩(wěn)定的納米流體最常用的方法從整體上可分為“一步法”和“兩步法”[3]。目前實(shí)驗(yàn)室研究最常使用的方法是“兩步法”。兩步法制備過程主要包括干粉狀納米粒子加入到液相中，物理方法使納米粒子均勻分散，化學(xué)方法保證納米流體體系穩(wěn)定，防止團(tuán)聚。在兩步法中，最關(guān)鍵的問題是掌握納米流體顆粒和液相的選擇以及制備工藝的確定，包括分散方式、分散時(shí)間、分散次數(shù)和分散劑含量等。在采用兩步法制備二氧化硅納米流體的基礎(chǔ)上，增加了對納米流體的高壓微射流分散過程。圖1 為高壓微射流設(shè)備圖。圖2 為兩步法制備流程圖。

圖1 高壓微射流實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖2 兩步法制備流程圖

利用高速剪切機(jī)對納米顆粒懸浮液進(jìn)行預(yù)分散，并利用高壓微射流制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%和5%的納米流體。利用馬爾文激光粒度分析儀對制備納米流體的粒徑進(jìn)行分析。制備的SiO2-水納米流體中顆粒粒徑大部分集中在30～40 nm 范圍內(nèi)，不存在較大顆粒，且粒徑分布范圍較窄，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粒徑分布基本一致，分散效果較好，如圖3 所示。

圖3 3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)二氧化硅納米流體的粒徑分布圖

1.2 納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測試

如圖4，使用了熱物性測量儀器HotDisk 測量納米流體導(dǎo)熱系數(shù)。測試之前，先對基液的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行多次測量，并取平均值與文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)測得蒸餾水的導(dǎo)熱系數(shù)值為0.6067 W/m2·K。

圖4 Hot Disk 熱物性測試測試系統(tǒng)

1.3 納米流體在太陽能集熱管中應(yīng)用

以悶曬式全玻璃真空集熱管作為研究對象，管內(nèi)采用自然對流循環(huán)方式，安裝角度為正南45°，真空管的規(guī)格為φ58 mm × 1.8 m。為了計(jì)算方便，對模型進(jìn)行簡化[4]，且在模擬過程中，沒有考慮納米顆粒之間的團(tuán)聚、管壁的摩擦阻力、流體的黏性耗散以及納米流體制備過程中產(chǎn)生的微小氣泡等因素的影響[5]。采用混合模型對全玻璃真空管內(nèi)納米流體的對流換熱特性進(jìn)行模擬。對流相的設(shè)置采用一階迎風(fēng)格式且壓力-速度耦合選擇SIMPLE 算法求解。為不失一般性，主要模擬了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的二氧化硅納米流體，顆粒粒徑為30 nm，導(dǎo)熱系數(shù)采用實(shí)驗(yàn)測試值，并與水進(jìn)行對比，真空管上壁面為恒定均勻熱流，熱流密度為700 W/m2，太陽能集熱管傾斜45°放置，加熱時(shí)間為1 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)熱性能分析

圖5 為二氧化硅納米流體導(dǎo)熱系數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化圖和相對于基液納米流體導(dǎo)熱系數(shù)提高率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化圖。測試結(jié)果表明，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，二氧化硅納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨之增加。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)與基液相比提高6%，二氧化硅納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至5% 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)提高20% 左右。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)提高率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.2 模擬結(jié)果分析

圖6 為分別以水和以3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2-水納米流體為工質(zhì)的真空集熱管沿徑向截面速度場分布（管中部），從圖中可以看出添加納米流體后管內(nèi)工質(zhì)流動速度得以提高，軸向速度平均提高14%，循環(huán)流動加強(qiáng)。

圖6 真空管縱向截面速度分布（管中部）

分析其主要原因是：一方面納米顆粒的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)液體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，納米顆粒的添加對于基液導(dǎo)熱系數(shù)的提高起到很大作用，即增強(qiáng)了流體工質(zhì)的導(dǎo)熱能力，熱流密度也大大增加；另一方面是納米級的固體顆粒主要受到布朗了、重力和也液體間的摩擦碰撞各項(xiàng)作用力的共同作用，加強(qiáng)了顆粒與顆粒、顆粒與液體、顆粒與表面之間的能量交換和湍流度，減小了流動邊界層和溫度邊界層，更加強(qiáng)化了流體與固體壁面的傳熱特性，最終整個(gè)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)得到提高。

3 結(jié)論

在采用兩步法制備了二氧化硅納米流體，并實(shí)驗(yàn)測定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，納米流體導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高。模擬研究納米流體為工質(zhì)的真空管內(nèi)流動特性，結(jié)果表明添加納米流體后集熱管內(nèi)工質(zhì)流動速度明顯提高，管內(nèi)流體速度平均升高14%。本研究為納米流體應(yīng)用于太陽能集熱器中提供重要理論參考。