太阳能吸收与热输运纳米黑液材料的制备与性能研究

【摘要】： 太阳能热水集热器是目前可再生能源利用中唯一可与常规化石能源竞争的清洁能源利用装置，性能优良的集热器是太阳能热利用系统的关键。太阳集热器的性能主要由其集热效率来衡量，要提高集热器的效率，总的原则应该是，在保持最大限度地吸收太阳能的同时，尽可能减小其热损失。 本文率先提出了直接吸收式纳米黑液太阳热水集热器的概念。所谓纳米黑液，就是以一定的方式和比例在液相介质中添加黑色纳米粒子，形成一类新的太阳集热器的吸热与传热循环工质。纳米黑液太阳热水集热器利用纳米黑液直接吸收太阳辐射，因此，集热器的最高温度点出现在纳米黑液内部，有效的降低了集热器的散热损失。 为了制备适合用于直接吸收式太阳集热器的纳米黑液，本文通过将纳米颗粒与体积比为1：1的乙二醇水溶液直接混合，综合采用添加分散剂、超声波振荡、球磨等方法，改变纳米颗粒的表面性质，获得了炭黑、铜、碳包铜等几类分散稳定的纳米黑液。实验结果表明，纳米黑液的分散稳定性主要受到纳米颗粒的属性、分散剂的属性和含量、分散方式以及分散时间等因素的影响。所制备的纳米黑液分散体系具有很好的光热稳定性，而且对304不锈钢和硅橡胶等常用太阳能热水器材料不具有腐蚀性，对黄铜仅有轻微的表面脱锌腐蚀。 通过对纳米黑液的导热系数、粘度和比热容等热物性的测试，结合对纳米颗粒的特殊物化行为的理论分析，深入地研究了纳米黑液这类新型集热器循环工质的热物性与纳米粒子属性和含量、分散剂的属性和含量、温度以及悬浮稳定性之间的联系。研究结果表明，纳米黑液的导热系数和粘度随纳米粒子和分散剂的含量的增大而增大，但对于不同类型的纳米粒子和分散剂，导热系数和粘度增大的比例不同。此外，温度也是影响纳米黑液粘度的一个重要因素。由于纳米黑液中纳米粒子的量子效应和布朗运动，传统的计算固—液两相混合物导热系数和粘度的理论模型已不能真实反映纳米黑液的能量传递过程和流变行为。综合考虑纳米粒子的尺寸因素以及纳米黑液的溶剂化效应和电粘滞效应的影响后，可以得出纳米黑液粘度的修正式为：μ_(eff)=μ_f{1+2.5(1+△r/r)~3[1+1/Lμ_fr~2(εζ/2π)~2]φ}(1+350φ/r)。纳米黑液的比热容随纳米粒子和分散剂含量的增大而减小，减小的幅度因纳米粒子和分散剂的种类而异。温度对比热容的影响很小。由于纳米黑液的微观效应，纳米黑液的比热容不能用混合物比热容的加和原理进行计算。纳米黑液中纳米粒子表面振动的加强和固—液界面自由能状态的改变是导致纳米黑液的比热容不同于常规固—液混合物的比热容的主要原因。 由于纳米颗粒的吸收和散射的共同作用，纳米黑液对太阳辐射具有全波段强吸收的特性。闷晒实验结果表明，纳米黑液的光热转换性能要明显好于没有添加纳米粒子的乙二醇水溶液和常规黑漆吸收涂层。碳包铜纳米黑液由于具有高的传热系数和低的比热容，因此非常适合用作太阳集热器的吸热与传热循环工质。 本文参照国标“GB／T4271—2000《平板型太阳集热器热性能试验方法》”对自行研制的纳米黑液太阳热水集热器的集热效率进行了测试。实验结果表明，直接吸收式的纳米黑液太阳热水集热器显著提高了集热效率，实验中的最高瞬时集热效率可达74．688％，比传统平板型集热器的瞬时效率提高了近10％，显示出了极好的热性能。 由于纳米黑液优异的光热转换性能和流动性能，可以预料，将纳米黑液用作直接吸收式太阳热水集热器的循环工质，将大大提高集热器的集热效率。纳米黑液的提出为太阳热水集热器的发展提供了新方向，研究结果显示了纳米黑液在太阳能低温热利用领域具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济价值。 【关键词】：纳米黑液 热物性 集热器
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-13
• CONTENTS13-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 引言17-20
• 1.2 黑液太阳集热器的国内外研究概况20-29
• 1.2.1 黑色纯液体太阳集热器21-25
• 1.2.2 颗粒悬浮体系太阳集热器25-29
• 1.3 选题背景29-31
• 1.3.1 研究中存在的问题29-30
• 1.3.2 课题的由来及研究内容30-31
• 第二章 纳米黑液的分散及其光学特性的理论研究31-44
• 2.1 引言31
• 2.2 纳米黑液的分散技术31-38
• 2.2.1 分散方法31-33
• 2.2.2 分散过程33-34
• 2.2.3 分散稳定性理论34-37
• 2.2.4 分散稳定性的评价方法37-38
• 2.3 纳米黑液的光学特性理论38-42
• 2.3.1 Mie散射理论39-40
• 2.3.2 Rayleigh散射理论40-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第三章 纳米黑液的制备及其稳定性研究44-74
• 3.1 引言44
• 3.2 实验方案44-45
• 3.3 原材料的选择45-53
• 3.3.1 纳米粉体材料的选择与制备45-49
• 3.3.2 分散介质的选择及其热物性49-52
• 3.3.3 分散剂的选择52-53
• 3.4 试剂与设备53
• 3.5 纳米黑液分散稳定性的表征实验53-54
• 3.5.1 沉降实验53-54
• 3.5.2 吸光度的测量54
• 3.6 纳米黑液的分散稳定性分析54-68
• 3.6.1 颗粒属性对纳米黑液分散稳定性的影响54-57
• 3.6.2 分散方式对纳米黑液分散稳定性的影响57-60
• 3.6.3 分散剂属性对纳米黑液分散稳定性的影响60-62
• 3.6.4 分散剂含量对纳米黑液分散稳定性的影响62-64
• 3.6.5 分散时间对纳米黑液分散稳定性的影响64-67
• 3.6.6 多组分纳米颗粒的分散67-68
• 3.7 纳米黑液分散体系的光热稳定性68-69
• 3.8 纳米黑液与常用太阳能热水器材料的相容性分析69-73
• 3.8.1 实验方式70
• 3.8.2 实验结果70-71
• 3.8.3 纳米黑液对黄铜的腐蚀机理71-73
• 3.9 本章小结73-74
• 第四章 纳米黑液的热物性研究74-113
• 4.1 引言74
• 4.2 纳米黑液导热系数的测量74-90
• 4.2.1 稳态法75
• 4.2.2 非稳态法75-76
• 4.2.3 基于瞬态平面热源技术的HotDisk热常数分析仪76-79
• 4.2.4 纳米黑液导热系数测量结果及分析79-82
• 4.2.5 实验测量结果和理论预测的对比82-84
• 4.2.6 纳米黑液导热系数增大的机理探讨84-90
• 4.3 纳米黑液粘度的测量90-102
• 4.3.1 测量方法91-92
• 4.3.2 测量结果与分析92-97
• 4.3.3 纳米黑液粘度公式的修正97-100
• 4.3.4 纳米黑液粘度增大的机理探讨100-102
• 4.4 纳米黑液比热容的测量102-112
• 4.4.1 测量仪器102-103
• 4.4.2 测量原理103-105
• 4.4.3 测量结果105-108
• 4.4.4 纳米黑液比热容变化的机理探讨108-112
• 4.5 本章小结112-113
• 第五章 纳米黑液太阳集热器的光热性能研究113-130
• 5.1 引言113
• 5.2 纳米黑液的光学性能113-117
• 5.2.1 测试方法113-114
• 5.2.2 纳米黑液的UV-VIS光谱114-116
• 5.2.3 结果分析116-117
• 5.3 纳米黑液的光热转换性能117-122
• 5.3.1 实验方法117
• 5.3.2 实验装置117-118
• 5.3.3 纳米黑液与基液的闷晒实验比较118-119
• 5.3.4 不同纳米黑液的闷晒实验比较119-120
• 5.3.5 纳米黑液与吸收涂层的闷晒实验比较120-122
• 5.4 纳米黑液太阳集热器的热性能122-128
• 5.4.1 太阳集热器热性能测试的理论基础122-125
• 5.4.2 实验方法125
• 5.4.3 实验装置125-126
• 5.4.4 集热效率的测试结果与分析126-128
• 5.5 本章小节128-130
• 总结与展望130-133
• 参考文献133-143
• 攻读博士学位期间发表的论文及科技成果143-145
• 致谢145

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