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外加磁场强化磁性纳米流体的光热特性及机理研究

何钦波  
【摘要】:太阳能作为一种蕴藏着巨大能量的可再生清洁能源,取之不尽,用之不竭,分布广泛,利用前景广阔,而我国是太阳能资源十分丰富的国家之一。太阳能利用包括光-热转换、光-电转换和光-化学转换这三种形式。太阳能热利用是太阳能利用的基本方式之一。太阳能热利用最关键的是如何提高集热器的集热效率。而提高集热效率可以从优化集热器结构以及开发出新型的集热工质两方面入手,鉴于目前传统的平板式和玻璃真空管式集热器都是采用间接集热方式,太阳辐射在通过选择性涂层吸收并转化为热量后,还必须通过涂层涂覆的金属板或玻璃管壁的导热才能传递至工作介质,这种非直接的吸收过程大大影响了集热器效率的提高。因此,一种直接吸收式太阳能集热器被提出,利用纳米流体的优异光吸收性能及高效导热性能,可以提高其集热效率。当纳米流体中的纳米粒子是具有磁性的铁、钴、镍或其氧化物等磁性粒子时,纳米流体就成为了磁性纳米流体。磁性纳米流体是一类比较特殊的纳米流体,具有磁性和流动性的特点。当外加磁场作用时,粒子的分布结构特征会发生变化,使得磁性纳米流体的光学性质会发生变化,外加磁场有望进一步强化磁性纳米流体的光热特性及导热性能。本文以Co-H2O磁性纳米流体为研究对象,围绕其制备、热物性、光学特性、光热转换特性以及直接吸收式太阳能集热器的集热效率,开展了以下研究工作。1.Co-H2O纳米流体的制备。研究分散剂的加入量及p H值对Co-H2O纳米流体分散稳定性的影响。通过比较纳米流体的Zeta电位绝对值和吸光度,结果表明质量分数为0.04wt%的Co-H2O纳米流体添加的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)最佳量为0.03wt%,p H=8.5时,Co-H2O纳米流体的Zeta电位绝对值和吸光度最高,相应分散稳定性最好。2.Co-H2O纳米流体的热物性。研究了纳米颗粒质量分数、粒径、p H值、温度对纳米流体导热系数、比热及粘度的影响。纳米流体导热系数随着粒子浓度呈非线性增加,30℃时质量分数为0.01wt%的纳米流体导热系数比去离子水提高了6.23%,质量分数为0.1wt%时导热系数比去离子水提高了18.12%。小的粒径比大粒径对提高纳米流体导热性能更有优势。Co粒子的添加会降低基液的比热,且纳米流体的比热随着粒子质量分数的增大而减小。传统的混合物加和原理不适用于纳米流体比热的计算,粒径越小的纳米流体比热越大。采用锥板粘度计测量了Co-H2O纳米流体的粘度,结果表明质量分数及温度对其粘度影响较大,实验所配置的Co-H2O纳米流体经不同剪切速率验证为牛顿型流体。3.Co-H2O纳米流体的光学特性。在分析纳米流体光学特性理论的基础上,利用紫外-可见-近红外分光光度计结合积分球的原理对Co-H2O纳米流体光学透射特性进行了实验研究,主要研究了不同粒径、不同质量分数以及不同光程下对太阳能全波段(250nm?2500nm)透射率的影响。结果表明:在水中添加纳米粒子改变了水的太阳能光谱吸收特性,粒子的优异光吸收性能使得纳米流体的透射率在250~1370nm波段大大低于水的透射率。纳米流体的透射率随着粒径的增大而减小,同时纳米流体质量分数越大,透射率越低。在质量分数为0.1wt%时,Co-H2O纳米流体在整个太阳光谱范围内透射率都接近为0,说明这个质量分数对于纳米流体做为集热材料性能最佳。4.Co-H2O纳米流体的光热特性。纳米粒子优异的光吸收性能使得纳米流体整体的光热转换能力加强。粒子质量分数对纳米流体的光热特性影响较大,其温升速率随着粒子质量分数的增加而加大,但是粒子添加量也不宜过多,本实验最佳为0.1wt%,其最高温度比水的高出30.3%。另外,粒径的大小也会影响纳米流体的光热性能,粒径越小光吸收能力越强,导热系数也越大。外加磁场对Co-H2O纳米流体的光热特性有一定强化作用,磁场强度有一最佳值,本实验中,最佳的磁场强度大小为30Gs,Co-H2O纳米流体(0.04wt%,30Gs,50nm)的最高温度相对于去离子水的可以提高39.5%。5.Co-H2O纳米流体的太阳能集热应用。通过自制的小型直接吸收式太阳能集热器,研究纳米粒子的质量分数、粒径、质量流量、p H值以及外加磁场对直接吸收式太阳能集热器的性能影响。另外以一款常规的平板太阳能热水器为实验装置,研究Co-H2O纳米流体作为集热工质,对其性能的影响。结果表明:在磁场强度为30 Gs的条件下,Co-H2O磁性纳米流体(0.1wt%,30nm)的集热效率比水提高了51.70%,比没有加磁场的Co-H2O磁性纳米流体提升了13.24%。粒径越小对强化集热效率更有效,粒径为30nm的Co-H2O磁性纳米流体,其集热效率比粒径为50nm的Co-H2O磁性纳米流体提高了12.29%。传统平板集热器中的集热性能表明,质量分数为0.1wt%的Co-H2O磁性纳米流体集热效率比水提高了22.31%。针对水箱中的最高水温与最高得热量而言,30nm质量分数为0.1wt%的Co-H2O磁性纳米流体相对于水作为工质分别提高了11.18%和22.35%。


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