太陽能吸收與熱輸運(yùn)納米黑液材料的制備與性能研究

【摘要】： 太陽能熱水集熱器是目前可再生能源利用中唯一可與常規(guī)化石能源競爭的清潔能源利用裝置，性能優(yōu)良的集熱器是太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵。太陽集熱器的性能主要由其集熱效率來衡量，要提高集熱器的效率，總的原則應(yīng)該是，在保持最大限度地吸收太陽能的同時(shí)，盡可能減小其熱損失。 本文率先提出了直接吸收式納米黑液太陽熱水集熱器的概念。所謂納米黑液，就是以一定的方式和比例在液相介質(zhì)中添加黑色納米粒子，形成一類新的太陽集熱器的吸熱與傳熱循環(huán)工質(zhì)。納米黑液太陽熱水集熱器利用納米黑液直接吸收太陽輻射，因此，集熱器的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在納米黑液內(nèi)部，有效的降低了集熱器的散熱損失。 為了制備適合用于直接吸收式太陽集熱器的納米黑液，本文通過將納米顆粒與體積比為1：1的乙二醇水溶液直接混合，綜合采用添加分散劑、超聲波振蕩、球磨等方法，改變納米顆粒的表面性質(zhì)，獲得了炭黑、銅、碳包銅等幾類分散穩(wěn)定的納米黑液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米黑液的分散穩(wěn)定性主要受到納米顆粒的屬性、分散劑的屬性和含量、分散方式以及分散時(shí)間等因素的影響。所制備的納米黑液分散體系具有很好的光熱穩(wěn)定性，而且對304不銹鋼和硅橡膠等常用太陽能熱水器材料不具有腐蝕性，對黃銅僅有輕微的表面脫鋅腐蝕。 通過對納米黑液的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和比熱容等熱物性的測試，結(jié)合對納米顆粒的特殊物化行為的理論分析，深入地研究了納米黑液這類新型集熱器循環(huán)工質(zhì)的熱物性與納米粒子屬性和含量、分散劑的屬性和含量、溫度以及懸浮穩(wěn)定性之間的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，納米黑液的導(dǎo)熱系數(shù)和粘度隨納米粒子和分散劑的含量的增大而增大，但對于不同類型的納米粒子和分散劑，導(dǎo)熱系數(shù)和粘度增大的比例不同。此外，溫度也是影響納米黑液粘度的一個(gè)重要因素。由于納米黑液中納米粒子的量子效應(yīng)和布朗運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的計(jì)算固—液兩相混合物導(dǎo)熱系數(shù)和粘度的理論模型已不能真實(shí)反映納米黑液的能量傳遞過程和流變行為。綜合考慮納米粒子的尺寸因素以及納米黑液的溶劑化效應(yīng)和電粘滯效應(yīng)的影響后，可以得出納米黑液粘度的修正式為：μ_(eff)=μ_f{1+2.5(1+△r/r)~3[1+1/Lμ_fr~2(εζ/2π)~2]φ}(1+350φ/r)。納米黑液的比熱容隨納米粒子和分散劑含量的增大而減小，減小的幅度因納米粒子和分散劑的種類而異。溫度對比熱容的影響很小。由于納米黑液的微觀效應(yīng)，納米黑液的比熱容不能用混合物比熱容的加和原理進(jìn)行計(jì)算。納米黑液中納米粒子表面振動(dòng)的加強(qiáng)和固—液界面自由能狀態(tài)的改變是導(dǎo)致納米黑液的比熱容不同于常規(guī)固—液混合物的比熱容的主要原因。 由于納米顆粒的吸收和散射的共同作用，納米黑液對太陽輻射具有全波段強(qiáng)吸收的特性。悶曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米黑液的光熱轉(zhuǎn)換性能要明顯好于沒有添加納米粒子的乙二醇水溶液和常規(guī)黑漆吸收涂層。碳包銅納米黑液由于具有高的傳熱系數(shù)和低的比熱容，因此非常適合用作太陽集熱器的吸熱與傳熱循環(huán)工質(zhì)。 本文參照國標(biāo)“GB／T4271—2000《平板型太陽集熱器熱性能試驗(yàn)方法》”對自行研制的納米黑液太陽熱水集熱器的集熱效率進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直接吸收式的納米黑液太陽熱水集熱器顯著提高了集熱效率，實(shí)驗(yàn)中的最高瞬時(shí)集熱效率可達(dá)74．688％，比傳統(tǒng)平板型集熱器的瞬時(shí)效率提高了近10％，顯示出了極好的熱性能。 由于納米黑液優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能和流動(dòng)性能，可以預(yù)料，將納米黑液用作直接吸收式太陽熱水集熱器的循環(huán)工質(zhì)，將大大提高集熱器的集熱效率。納米黑液的提出為太陽熱水集熱器的發(fā)展提供了新方向，研究結(jié)果顯示了納米黑液在太陽能低溫?zé)崂妙I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 【關(guān)鍵詞】：納米黑液 熱物性 集熱器
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目錄9-13
• CONTENTS13-17
• 第一章 緒論17-31
• 1.1 引言17-20
• 1.2 黑液太陽集熱器的國內(nèi)外研究概況20-29
• 1.2.1 黑色純液體太陽集熱器21-25
• 1.2.2 顆粒懸浮體系太陽集熱器25-29
• 1.3 選題背景29-31
• 1.3.1 研究中存在的問題29-30
• 1.3.2 課題的由來及研究內(nèi)容30-31
• 第二章 納米黑液的分散及其光學(xué)特性的理論研究31-44
• 2.1 引言31
• 2.2 納米黑液的分散技術(shù)31-38
• 2.2.1 分散方法31-33
• 2.2.2 分散過程33-34
• 2.2.3 分散穩(wěn)定性理論34-37
• 2.2.4 分散穩(wěn)定性的評價(jià)方法37-38
• 2.3 納米黑液的光學(xué)特性理論38-42
• 2.3.1 Mie散射理論39-40
• 2.3.2 Rayleigh散射理論40-42
• 2.4 本章小結(jié)42-44
• 第三章 納米黑液的制備及其穩(wěn)定性研究44-74
• 3.1 引言44
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方案44-45
• 3.3 原材料的選擇45-53
• 3.3.1 納米粉體材料的選擇與制備45-49
• 3.3.2 分散介質(zhì)的選擇及其熱物性49-52
• 3.3.3 分散劑的選擇52-53
• 3.4 試劑與設(shè)備53
• 3.5 納米黑液分散穩(wěn)定性的表征實(shí)驗(yàn)53-54
• 3.5.1 沉降實(shí)驗(yàn)53-54
• 3.5.2 吸光度的測量54
• 3.6 納米黑液的分散穩(wěn)定性分析54-68
• 3.6.1 顆粒屬性對納米黑液分散穩(wěn)定性的影響54-57
• 3.6.2 分散方式對納米黑液分散穩(wěn)定性的影響57-60
• 3.6.3 分散劑屬性對納米黑液分散穩(wěn)定性的影響60-62
• 3.6.4 分散劑含量對納米黑液分散穩(wěn)定性的影響62-64
• 3.6.5 分散時(shí)間對納米黑液分散穩(wěn)定性的影響64-67
• 3.6.6 多組分納米顆粒的分散67-68
• 3.7 納米黑液分散體系的光熱穩(wěn)定性68-69
• 3.8 納米黑液與常用太陽能熱水器材料的相容性分析69-73
• 3.8.1 實(shí)驗(yàn)方式70
• 3.8.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果70-71
• 3.8.3 納米黑液對黃銅的腐蝕機(jī)理71-73
• 3.9 本章小結(jié)73-74
• 第四章 納米黑液的熱物性研究74-113
• 4.1 引言74
• 4.2 納米黑液導(dǎo)熱系數(shù)的測量74-90
• 4.2.1 穩(wěn)態(tài)法75
• 4.2.2 非穩(wěn)態(tài)法75-76
• 4.2.3 基于瞬態(tài)平面熱源技術(shù)的HotDisk熱常數(shù)分析儀76-79
• 4.2.4 納米黑液導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果及分析79-82
• 4.2.5 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和理論預(yù)測的對比82-84
• 4.2.6 納米黑液導(dǎo)熱系數(shù)增大的機(jī)理探討84-90
• 4.3 納米黑液粘度的測量90-102
• 4.3.1 測量方法91-92
• 4.3.2 測量結(jié)果與分析92-97
• 4.3.3 納米黑液粘度公式的修正97-100
• 4.3.4 納米黑液粘度增大的機(jī)理探討100-102
• 4.4 納米黑液比熱容的測量102-112
• 4.4.1 測量儀器102-103
• 4.4.2 測量原理103-105
• 4.4.3 測量結(jié)果105-108
• 4.4.4 納米黑液比熱容變化的機(jī)理探討108-112
• 4.5 本章小結(jié)112-113
• 第五章 納米黑液太陽集熱器的光熱性能研究113-130
• 5.1 引言113
• 5.2 納米黑液的光學(xué)性能113-117
• 5.2.1 測試方法113-114
• 5.2.2 納米黑液的UV-VIS光譜114-116
• 5.2.3 結(jié)果分析116-117
• 5.3 納米黑液的光熱轉(zhuǎn)換性能117-122
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)方法117
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置117-118
• 5.3.3 納米黑液與基液的悶曬實(shí)驗(yàn)比較118-119
• 5.3.4 不同納米黑液的悶曬實(shí)驗(yàn)比較119-120
• 5.3.5 納米黑液與吸收涂層的悶曬實(shí)驗(yàn)比較120-122
• 5.4 納米黑液太陽集熱器的熱性能122-128
• 5.4.1 太陽集熱器熱性能測試的理論基礎(chǔ)122-125
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)方法125
• 5.4.3 實(shí)驗(yàn)裝置125-126
• 5.4.4 集熱效率的測試結(jié)果與分析126-128
• 5.5 本章小節(jié)128-130
• 總結(jié)與展望130-133
• 參考文獻(xiàn)133-143
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科技成果143-145
• 致謝145

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分體承壓式太陽能熱水器熱性能分析與實(shí)驗(yàn)研究    韓俊峰