納米流體太陽集熱器的光熱性能研究摘要采用直流碳弧法制備了平均粒徑為25NM的碳包銅納米顆粒，包覆的碳層有效的避免了周圍環(huán)境對(duì)銅納米粒子的影響。采用超聲波振蕩和添加分散劑的方法，將碳包銅納米顆粒均勻穩(wěn)定的分散在體積比為11的乙二醇水溶液中，獲得了用于直接吸收式太陽集熱器的循環(huán)工質(zhì)碳包銅納米流體。通過悶曬實(shí)驗(yàn)，研究了碳包銅納米流體的光熱轉(zhuǎn)換性能；通過對(duì)集熱器熱效率的測試，研究了碳包銅納米流體太陽集熱器的熱性能，結(jié)果表明添加納米顆粒后，碳包銅納米流體的光熱轉(zhuǎn)換性能明顯優(yōu)于基液和涂有黑漆的銅管表面。直接吸收式的碳包銅納米流體太陽集熱器顯著提高了集熱器的集熱效率，實(shí)驗(yàn)中的最高集熱效率可達(dá)74688，比傳統(tǒng)平板型集熱器的集熱效率提高了近10。關(guān)鍵詞碳包銅納米顆粒；納米流體；太陽集熱器；光熱性能中圖分類號(hào)TK515文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A引言1995年，美國ARGONNE國家實(shí)驗(yàn)室的CHOI1在國際上首次提出了“納米流體（NANOFLUIDS）”的概念，即以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或非金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì)。納米流體由于具有優(yōu)異的強(qiáng)化傳熱性能而得到了廣泛研究，研究方向主要包括26納米流體的熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流換熱、強(qiáng)迫對(duì)流換熱、池內(nèi)沸騰換熱以及流動(dòng)沸騰換熱等。目前，國內(nèi)外對(duì)納米流體的應(yīng)用研究主要集中在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，而對(duì)于納米流體在其他方面的應(yīng)用則研究得相對(duì)較少。近兩年，考慮到納米流體優(yōu)異的熱輸運(yùn)性能以及納米顆粒特殊的光吸收性能，有研究者提出將納米流體用作直接吸收式太陽集熱器的循環(huán)工質(zhì)711，利用納米流體直接吸收太陽輻射能，以達(dá)到提高集熱器熱效率的目的。已研究的用作太陽集熱器循環(huán)工質(zhì)的納米流體主要有SIO2水、AL2O3水、碳納米管水等無機(jī)非金屬納米流體8,9和鋁水10、鐵醇水混合物11等金屬納米流體。在金屬納米流體中，金屬納米粒子由于具有表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，其光學(xué)性質(zhì)與塊體金屬相比，發(fā)生了顯著的變化，出現(xiàn)了吸收帶的藍(lán)移和紅移以及寬頻帶強(qiáng)吸收的奇異特性12。但金屬納米流體在制備和應(yīng)用的過程中存在的一個(gè)最大不足就是其中的金屬納米粒子容易與周圍的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而失效。本工作采用直流碳弧法制備了碳包銅納米顆粒，并將其均勻穩(wěn)定的分散在體積比為11的乙二醇水溶液中，獲得了用于直接吸收式太陽集熱器的循環(huán)工質(zhì)碳包銅納米流體，包覆的碳層在很小的空間內(nèi)禁錮了銅納米粒子，有效的阻礙了周圍環(huán)境對(duì)銅納米粒子的影響。文中對(duì)碳包銅納米流體的光熱性能及其太陽集熱器的集熱效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。納米顆粒與納米流體的制備11碳包銅納米顆粒的制備本工作采用直流碳弧法制備了碳包銅納米顆粒，具體操作過程如下用直徑為5MM的純石墨棒做陰極，將純銅粉（化學(xué)純）和石墨粉（試劑純）按一定比例混合均勻壓制成塊狀置于銅電極上做陽極（本工作中CU的質(zhì)量百分含量為60），電極間的距離保持在34MM。將工作室抽真空至2PA以下，然后通入高純HE氣，HE氣壓控制在50KPA。直流電壓為60V，控制反應(yīng)電流在150A左右。接通電源起弧，兩極間形成穩(wěn)定的電弧，反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生煙狀的氣流，在工作室器壁上沉積形成煙灰。反應(yīng)結(jié)束后，收集生成的煙灰用甲苯過濾，去掉其中的富勒烯，通過酸洗去掉其中未包覆完全的銅，即得到碳包銅納米粉體。碳包銅納米粒子的形貌和粒徑分析采用日本電子株式會(huì)社的透射電子顯微鏡（JEM2000HR）；物相分析和平均晶粒尺寸計(jì)算采用日本理學(xué)株式會(huì)社的X射線衍射儀型號(hào)D/MAX2500，CUK射線石墨單色器，工作電壓40KV，電流30MA，掃描范圍10O80O，掃描速度12O/MIN。測試結(jié)果如圖1、2、3所示。從碳包銅納米顆粒的高分辨率電鏡照片可以看出，碳是以石墨片層形式形成類洋蔥結(jié)構(gòu)緊密環(huán)繞在納米銅顆粒周圍，呈近似有序排列，銅納米粒子則處于洋蔥的核心，因此碳?xì)た梢栽诤苄〉目臻g包覆禁錮銅納米粒子，有效的避免了環(huán)境對(duì)銅納米粒子的影響。從TEM照片可以看出，碳包銅納米顆粒的平均粒徑約為25NM左右，根據(jù)X射線衍射數(shù)據(jù)算得平均晶粒尺寸為152NM。從X射線衍射的物相測試結(jié)果可以看出，所制備的碳包銅納米粉體中沒有出現(xiàn)氧化銅相，只有碳和銅的相，證明了碳層的保護(hù)作用。圖1納米碳包銅顆粒的高分辨率電鏡照片F(xiàn)IG1HREMOFCARBONCOATEDCOPPERNANOPARTICLES圖2納米碳包銅顆粒的透射電鏡照片F(xiàn)IG2TEMOFCARBONCOATEDCOPPERNANOPARTICLES圖3納米碳包銅粉的XRD圖譜FIG3XRAYDIFFRACTIONPATTERNOFCARBONCOATEDCOPPERNANOPARTICLES12碳包銅納米流體的制備碳包銅納米流體的制備采用“兩步法”首先將已制備好的碳包銅納米顆粒添加到乙二醇水溶液中，然后采用超聲波振蕩和添加分散劑的方法，使碳包銅納米顆粒均勻穩(wěn)定地分散在乙二醇水溶液中。具體操作方式如下在燒杯中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為02的阿拉伯樹膠作分散劑，用一定量的乙二醇水溶液使其充分溶解，然后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)005的碳包銅納米粉體加入到混合液中，在超聲頻率為40KHZ的超聲儀中邊攪拌邊超聲波振蕩30MIN，從而制得所需的碳包銅納米流體。這樣制得的碳包銅納米流體靜置一個(gè)月未發(fā)生分層現(xiàn)象，具有很好的懸浮穩(wěn)定性。2納米流體的光熱性能為了考察碳包銅納米流體的光熱轉(zhuǎn)換性能，分別對(duì)玻璃試管中的碳包銅納米流體、玻璃試管中的乙二醇水溶液、表面涂有黑漆的銅管中的乙二醇水溶液進(jìn)行了悶曬實(shí)驗(yàn)。通過比較三種實(shí)驗(yàn)流體的升溫速率和悶曬溫度，進(jìn)而分析碳包銅納米流體的光熱轉(zhuǎn)換性能。在悶曬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)流體具有相同的體積和吸熱傳熱面積。銅管的直徑和長度與玻璃試管相同，玻璃試管的型號(hào)為20200MM。悶曬實(shí)驗(yàn)時(shí)，銅管和玻璃試管中充滿實(shí)驗(yàn)流體，然后分別將其密封到一個(gè)簡易熱盒中，熱盒的底面和側(cè)面為保溫層，保溫層材料為普通市售橡塑海綿板，其導(dǎo)熱系數(shù)在使用溫度范圍內(nèi)為00310036W/MK，厚度為2CM，熱盒的上面為透明玻璃蓋板，玻璃蓋板的面積為220CM210CM22CM。太陽輻射透過玻璃蓋板后直接被納米流體或黑漆涂層吸收，納米流體或黑漆涂層吸收太陽能后，實(shí)驗(yàn)流體溫度升高。玻璃試管中的碳包銅納米流體和乙二醇水溶液的悶曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。很明顯，添加碳包銅納米顆粒后，納米流體的光熱轉(zhuǎn)換性能大大增強(qiáng)。從圖4中可以看出，碳包銅納米流體的升溫速率明顯比乙二醇水溶液的快，而且當(dāng)悶曬溫度趨于穩(wěn)定后，前者的悶曬溫度比后者高了近20。在相同太陽輻照的條件下，實(shí)驗(yàn)流體升溫速率和悶曬溫度的變化主要取決于實(shí)驗(yàn)流體內(nèi)部的光吸收性能和傳熱性能。碳包銅納米流體由于分散相材料的尺寸為納米級(jí)，因此可以近似認(rèn)為是一種膠體，其光吸收性能可借助于REYLEIGH散射理論進(jìn)行分析。根據(jù)REYLEIGH散射理論，碳包銅納米流體的消光效率等于吸收效率與散射效率之和13224,1814IM3EASQMERGEFORMAT1式中為消光效率；為吸收效率；,E,AQ為散射效率；為尺寸參數(shù)，,S/D為顆粒粒徑，為波長；為顆粒的復(fù)折射率；D為取虛部的符號(hào)。由式（1）可以知道，納米IM顆粒的吸收效率正比于，散射效率正比與。4當(dāng)時(shí)，無論納米顆粒的復(fù)折射率為何值，納米粒子均以吸收為主。由于本工作中所制備的碳包銅納米顆粒的平均粒徑約為25NM，遠(yuǎn)小于太陽光譜的波長，其光學(xué)性質(zhì)滿足REYLEIGH散射理論。同時(shí)，碳包銅納米粒子本身為黑色，具有很強(qiáng)的光吸收性能。因此，在吸收和散射的共同作用下，碳包銅納米流體對(duì)太陽光譜的整個(gè)波長范圍具有很強(qiáng)的消光作用。碳包銅納米顆粒的添加對(duì)于強(qiáng)化納米流體傳熱性能的作用則更加明顯因碳包銅納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基液，碳包銅納米顆粒的添加，改變了基液的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了納米流體內(nèi)部的能量傳遞過程，而且納米流體中的碳包銅顆粒由于受布朗力等力的作用，容易在納米流體中形成布朗擴(kuò)散和熱擴(kuò)散等微對(duì)流現(xiàn)象，這種微對(duì)流進(jìn)一步增強(qiáng)了納米顆粒和基液間的能量傳遞過程。實(shí)驗(yàn)測得添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為005的碳包銅納米顆粒后，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比基液提高了24。根據(jù)以上分析可以知道，由于碳包銅納米流體的光吸收性能和傳熱性能均顯著優(yōu)于乙二醇水溶液，所以碳包銅納米流體的升溫速率和悶曬溫度要明顯高于乙二醇水溶液。08491042130516281923142710315034230405060708090溫度（）時(shí)刻玻璃試管中的碳包銅納米流體玻璃試管中的乙二醇水溶液環(huán)境溫度圖4碳包銅納米流體與基液的光熱轉(zhuǎn)換性能比較FIG4PHOTOTHERMALPROPERTIESBETWEENNANOFLUIDANDBASEDLIQUID圖5中所示為玻璃試管中的碳包銅納米流體和表面涂有黑漆的銅管中的乙二醇水溶液在悶曬1D后實(shí)驗(yàn)流體的悶曬溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從圖5中可以看出，盡管兩種實(shí)驗(yàn)流體能夠同時(shí)達(dá)到最高悶曬溫度，但從兩者的升溫過程來看，玻璃試管中的碳包銅納米流體在升溫過程中的悶曬溫度始終高于銅管中的乙二醇水溶液。由于上述兩種實(shí)驗(yàn)流體在悶曬實(shí)驗(yàn)中的質(zhì)量和體積相同，因此兩者的升溫速率和悶曬溫度的變化主要取決于各自的熱物性。因碳包銅納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)要明顯高于基液，而比熱容卻較基液低（室溫下，碳包銅納米流體的比熱容為238KJ/KGK，乙二醇水溶液的比熱容為33KJ/KGK）。因此，在吸收了同樣的太陽輻射熱后，碳包銅納米流體的升溫速率和悶曬溫度要高于乙二醇水溶液。另外，銅管中的乙二醇水溶液對(duì)太陽輻射熱的間接吸收也是影響其升溫速率和悶曬溫度變化的一個(gè)重要原因，黑漆涂層吸收太陽輻射熱后，還要通過銅管的熱傳導(dǎo)才能將熱量傳遞給乙二醇水溶液，這種多界面的傳熱過程勢必增加太陽輻射熱傳遞的熱阻和散熱損失，從而影響銅管內(nèi)乙二醇水溶液升溫速率和悶曬溫度的變化。0873590853401631946239125341856203405607809溫度（）時(shí)刻表面涂有黑漆的銅管中的乙二醇水溶液玻璃試管中的碳包銅納米流體環(huán)境溫度圖5碳包銅納米流體與黑漆表面的光熱轉(zhuǎn)換性能比較FIG5PHOTOTHERMALPROPERTIESBETWEENNANOFLUIDANDBLACKSURFACE4納米流體太陽集熱器的效率太陽集熱器的效率是衡量其熱性能的一個(gè)重要參量。一天之中，太陽輻射能量的大小隨時(shí)間而變化。因此，本工作通過測試碳包銅納米流體太陽集熱器的瞬時(shí)效率來分析其熱性能。根據(jù)瞬時(shí)效率的定義，基于采光面積和集熱器流體進(jìn)口溫度的瞬時(shí)效率方程可表示為14,FIAURERLCCTQFUAIIMERGEFORMAT2式中為集熱效率；為集熱器的有用能量U收益；為集熱器的采光面積；為投射至集CCI熱器采光面上的太陽總輻射密度；為熱遷移RF因子；為集熱器蓋板透射率與吸收率的乘E積；為集熱器的熱損系數(shù)；為納米流體的LU,FIT進(jìn)口溫度；為外界環(huán)境溫度。假如，和ATLUR是常數(shù)，則從式（2）可以看出，以為縱E坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)的效率曲線將是直,/FIACI線，其截距等于，斜率等于。REFRLF在測試集熱器的效率時(shí)，通常采用式（3）對(duì)集熱效率進(jìn)行計(jì)算。,PFOFIUCCMCTQAIIMERGEFORMAT3式中為納米流體的比熱；為納米流體的P質(zhì)量流量；為納米流體的出口溫度。,FOT圖6納米流體太陽集熱器效率測試裝置示意圖FIG6SCHEMATICILLUSTRATIONOFEFFICIENCYTESTINGDEVICEFORBLACKNANOFLUIDSSOLARCOLLECTOR碳包銅納米流體太陽集熱器集熱效率的測試參照國標(biāo)“GB/T42712000平板型太陽集熱器熱性能試驗(yàn)方法”進(jìn)行，測試裝置示意圖如圖6所示。采用瞬時(shí)法，在穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定工況下，于一開式系統(tǒng)中，同時(shí)測定流經(jīng)集熱器的納米流體的質(zhì)量流量，納米流體的進(jìn)、出口溫差M和集熱器采光面上的太陽輻射強(qiáng),FFOFIT度，按式（3）計(jì)算集熱器的瞬時(shí)效率。在本工作中，集熱器的采光面積15M2；納米流體CA的質(zhì)量流量018KG/S，測試過程中保持恒定；碳包銅納米流體的比熱容值2380J/KGK；PC集熱器的結(jié)構(gòu)為管板式，集熱管管徑均采用2015MM，管間距取100MM。表1所示為2007年11月16日對(duì)納米流體太陽集熱器進(jìn)行熱性能實(shí)驗(yàn)時(shí)得出的測試結(jié)果。圖7為本次測試結(jié)果的效率曲,/FIACTI線，線性擬合后的瞬時(shí)效率曲線可表示為,046875FICIMERGEFORMAT4從瞬時(shí)效率的線性方程可以看出，截距為074688，也就是說，當(dāng)，以REF,FIAT及納米流體太陽集熱器沒有熱損失時(shí)，集熱器的最高瞬時(shí)集熱效率可達(dá)74688，這個(gè)效率比常規(guī)平板型集熱器的瞬時(shí)效率高了近10左右15，與納米流體太陽集熱器的理論預(yù)測值能較好的吻合10。另外，從式（4）也可以發(fā)現(xiàn)，效率曲線的斜率為76785，即76785，這說明被測RLFU試的集熱器存在較大的熱損失。這主要是由于該集熱器在制作的過程中存在一些保溫方面的不足，比如集熱器的密封不緊等，造成集熱器的熱損失增大。集熱器熱損失的增大直接導(dǎo)致了納米流體升溫速率緩慢，而且一天中納米流體所能達(dá)到的最高溫度不高，不過這些問題可以通過增強(qiáng)集熱器的保溫性能或采用真空管結(jié)構(gòu)等辦法來解決。表1碳包銅納米流體太陽集熱器集熱效率測試數(shù)據(jù)TABLE1EFFICIENCYTESTINGDATAFORCARBONCOATEDCOPPERNANOFLUIDS02402602803032034036038012034056078091TF,IA/IC圖7碳包銅納米流體太陽集熱器的效率曲線FIG7EFFICIENCYCURVEOFCARBONCOATEDCOPPERNANOFLUIDSSOLARCOLLECTOR5結(jié)論1）采用直流碳弧法制備了平均粒徑為25NM的碳包銅納米顆粒，碳層的包覆有效的阻礙了周圍環(huán)境對(duì)銅納米粒子的影響。通過超聲波振蕩和添加分散劑的方法，制備了分散穩(wěn)定的碳包銅納米流體。2）添加納米顆粒后，碳包銅納米流體的光熱轉(zhuǎn)換性能明顯優(yōu)于基液和黑漆涂層表面。納米流體對(duì)太陽輻射的直接吸收過程有效的提高了循環(huán)工質(zhì)對(duì)太陽輻射能量的利用率。3）直接吸收式的納米流體太陽集熱器顯著提高了集熱器的集熱效率，實(shí)驗(yàn)中的最高瞬時(shí)集熱效率可達(dá)74688，比傳統(tǒng)平板型集熱器的熱效率提高了近10，與文獻(xiàn)中的理論預(yù)測值能較好的吻合。參考文獻(xiàn)1CHOISUSENHANCINGTHERMALCONDUCTIVITYOFFLUIDSWITHNANOPARTICLESJASME,1995,231991052MURSHEDSMS,LEONGKC,YANGCINVESTIGATIONSOFTHERMALCONDUCTIVITYANDVISCOSITYOFNANOFLUIDSJINTERNATIONALJOURNALOFTHERMALSCIENCES,2008,4755605683POLIDORIG,FOHANNOS,NGUYENCTANOTEONHEATTRANSFERMODELINGOFNEWTONIANNANOFLUIDSINLAMINARFREECONVECTIONJINTERNATIONALJOURNALOFTHERMALSCIENCES,2007,4687397444HERISSZ,ESFAHANYMN,ETEMADSGEXPERIMENTALINVESTIGATIONOFCONVECTIVEHEATTRANSFEROFAL2O3/WATERNANOFLUIDINCIRCULARTUBEJINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDFLUIDFLOW,2007,2822032105LIUZH,XIONGJG,BAORBOILINGHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFNANOFLUIDSINAFLATHEATPIPEEVAPORATORWITHMICROGROOVEDHEATINGSURFACEJINTERNATIONALJOURNALOFMULTIPHASEFLOW,2007,3312128412956KIJUNGPARK,DONGSOOJUNGBOILINGHEATTRANSFERENHANCEMENTWITHCARBONNANOTUBESFORREFRIGERANTSUSEDINBUILDINGAIRCONDITIONINGJENERGYANDBUILDINGS,2007,399106110647MAOLB,ZHANGRY,KEXF,ETALREVIEWOFDIRECTABSORPTIONSOLARCOLLECTIONSYSTEMSJMATERIALSREVIEW,2007,211212158駱仲泱,倪明江,余春江,等納米流體太陽能窗式集熱器中國,2006100536349P200609279趙佳飛,駱仲泱,壽春暉,等納米流體輻射特性與太陽能窗式集熱器研究C可再生能源規(guī)?；l(fā)展國際研討會(huì)暨第三屆泛長三角能源科技論壇論文集南京江蘇省能源研究會(huì)2006636710TYAGIH,PHELANPE,PRASHERRPREDICTEDEFFICIENCYOFANANOFLUIDBASEDDIRECTABSROPTIONSOLARRECEIVERCASMEENERGYSUSTAINABILITYCONFERENCECALIFORNIA,2007,72973611王瑞金磁流體太陽能集熱器的溫度和熱流量特性的實(shí)驗(yàn)研究J功能材料,2007,3812271230（增刊）12張立德,牟季美納米材料和納米結(jié)構(gòu)M北京科學(xué)出版社,2001798013余其錚輻射換熱原理M哈爾濱哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,200017918014張鶴飛太陽能熱利用原理與計(jì)算機(jī)模擬（第2版）M西安西北工業(yè)大學(xué)出版社,200411115王曉燕,蘭清,湛學(xué)先平板型與全玻璃真空管型太陽熱水器熱性能比較分析J云南師范大學(xué)學(xué)報(bào),2003,12234649（增刊）PHOTOTHERMALPROPERTIESOFNANOFLUIDBASEDSOLARCOLLECTORMAOLINGBO,ZHANGRENYUAN,KEXIUFANGFACULTYOFMATERIALANDENERGY,GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,GUANGZHOU510090,CHINAABSTRACTCARBONCOATEDCOPPERNANOPARTICLESWEREPREPAREDBYUSING