CN107974240A - 一种太阳能集热管用纳米流体传热工质及制备方法 - Google Patents

一种太阳能集热管用纳米流体传热工质及制备方法 Download PDF

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钱启伟
刘长城
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Abstract

本发明公开了一种太阳能集热管用纳米流体传热工质及制备方法，属于传热介质技术领域。该太阳能集热管用纳米流体传热工质由TiO2纳米流体和磁性微球制成。试验证明，该传热工质具有光热转换快，传热性能稳定，传热性能衰减慢的优点。

Description

一种太阳能集热管用纳米流体传热工质及制备方法
技术领域
本发明属于传热技术领域，尤其涉及一种太阳能集热管用纳米流体传热工质及制备方法。
背景技术
纳米流体作为一种新的高效能量传递技术，可应用于众多热量传递过程与储能系统。近几年，国内外研究者提出将纳米流体作为太阳能集热器的循环工质并进行相关的试验研究，取得了一些成果。
尽管纳米流体在太阳能应用中具有一定的强化换热特性，但在工程应用中，当纳米流体被放置一段时间后发生粒子团聚，单位质量基液内所占的纳米粒子变少，导致粒子与粒子的热传导、粒子与液体的微对流降低，能量传递减弱。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能集热管用纳米流体传热工质。
本发明的另一目的是提供一种纳米流体传热工质的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，该太阳能集热管用纳米流体传热工质由TiO2 纳米流体和磁性微球制成。
优选的，由5—10份TiO2 纳米流体和0.5—1.5份磁性微球制成。
优选的，由7份TiO2 纳米流体和1份磁性微球制成。
所述TiO2纳米流体的制备，选择适量的TiO2纳米颗粒粉体材料，经过高速剪切机剪切后由高压微射流将颗粒均匀地分散到基液中，并添加适量的分散剂，制备出质量分数为5%的纳米流体。
所述基液为自制蒸馏水。
所述分散剂为聚丙烯酸类高分子聚合物分散剂。
所述分散剂的用量为纳米流体体积分数的5—9%。
所述磁性微球的制备：在55℃下，将0.5mol/L的FeCl2溶液和0.4mol/L的FeCl3溶液，按1∶ 2体积比加入到反应器中，在分散机12000r/min搅拌的同时，滴加一定量的3mol/LNaOH溶液，并升温到80℃，搅拌30min。反应完成后用磁场分离沉淀，蒸馏水反复洗涤至上清液中性，烘干得到黑色粉末状的Fe3O4磁流体。将磁性粒子悬浮于聚乙烯亚胺(PEI)溶液中，通过过滤，干燥处理即得磁性微球。
将适量的磁性微球倒入TiO2 纳米流体溶液中，搅拌混匀，用细胞粉碎机分散30min后，倒入分散介质(油、吐温、正丁醇)中，在一定温度和搅拌条件下，搅拌4h以上即制成该太阳能集热管用纳米流体传热工质。
本发明的有益效果：
太阳辐照加热时，真空集热管内的传热工质直接吸收太阳辐射能转化为热能而温度升高。与传统的单一流体不同，磁性微球的添加改变了基液的结构和比热容，使试验流体实质上是一种两相流体，具有液一固两相流体的一些共有特性。在一定颗粒质量分数范围内，表现出太阳光谱强吸收的特性，磁性微球的添加显著增强了其光吸收性能，使光热转换得到强化。同时，在液体中添加磁性微球也显著增加液体导热系数，而且液体中的粒子由于受布朗力、重力、液体和粒子间摩擦力等的作用，容易在流体内部形成布朗扩散和热扩散等微对流现象，这种微对流进一步增强了固体颗粒和基液间的能量传递过程，使流体的对流传热得以强化。
传热对比试验
为了考察TiO2 纳米流体太阳能集热管的换热特性，分别对集热管中单纯的TiO2 纳米流体和本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体进行对比试验，相同体积和质量分数的单纯的TiO2 纳米流体和本发明所述的TiO2-水纳米流体被密封在 2 个相同的太阳能集热管中，分别在两个太阳能集热管的换热端接上温度传感器。将2个太阳能集热管斜放在具有相同辐射条件下的阳光下，太阳辐射被集热管内工质吸收，工质吸收太阳辐射后，温度得以升高汽化，汽化的工质的热量传到集热管上部的换热端，在相同的辐射强度下，两个集热管换热端的温度随时间逐渐升高，尽管两种液体工质最终能够同时到达最高温度，但管内本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体的升温速率明显高于单纯的TiO2 纳米流体的升温速率，本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体的太阳能集热管具有更好的换热特性。结果见表1。
将装有单纯的TiO2纳米流体和本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体的集热管放置30天后，再测试其传热性能，测试方法同上，结果见表2。
表2可以明显的看出，单纯的TiO2 纳米流体放置30天后，传热效率明显低于本发明所述的TiO2-水纳米流体，即在太阳辐射120 min后，换热端温度为66.2度，而本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体换热端的温度为72.3度，两者相差6.1度。装有单纯的TiO2 纳米流体的集热管放置30天后的温度为66.2度，较30天前的温度71.5度，低了5.3度，而装有本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体的集热管放置30天后与30天前的温度基本相同，相差0.3度。
其原因是：当纳米流体被放置一段时间后发生粒子团聚，单位质量基液内所占的纳米粒子变少，导致粒子与粒子的热传导、粒子与液体的微对流降低，能量传递减弱。
而本发明所述的TiO2-磁性微球纳米流体，由于流体内分布有磁性微球，磁性微球的存在，使传热粒子之间不便于团聚，使流体内的传热粒子始终处于分散状态，因此， 不影响粒子的传热，至使放置再长的时间，也不会降低传热效率。
具体实施方式
实施例一：将1kg磁性微球倒入7kg TiO2 纳米流体溶液中，搅拌混匀，用细胞粉碎机分散30min后，倒入25 kg的导热油中，在50度的条件下搅拌4h以上，即制成该太阳能集热管用纳米流体传热工质。
实施例二：将0.5kg磁性微球倒入5kg TiO2 纳米流体溶液中，搅拌混匀，用细胞粉碎机分散30min后，倒入25 kg的吐温中，在60度的条件下搅拌4h以上，即制成该太阳能集热管用纳米流体传热工质。
实施例三：将1.5kg磁性微球倒入10kg TiO2 纳米流体溶液中，搅拌混匀，用细胞粉碎机分散30min后，倒入25 kg的正丁醇中，在55度的条件下搅拌4h以上，即制成该太阳能集热管用纳米流体传热工质。

Claims (9)

1.一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于由TiO2 纳米流体和磁性微球制成。
2.如权利要求1所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于由5—10份TiO2 纳米流体和0.5—1.5份磁性微球制成。
3.如权利要求1所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于由7份TiO2纳米流体和1份磁性微球制成。
4.如权利要求1所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于所述TiO2纳米流体的制备，选择适量的TiO2纳米颗粒粉体材料，经过高速剪切机剪切后由高压微射流将颗粒均匀地分散到基液中，并添加适量的分散剂，制备出质量分数为 5%的纳米流体。
5.如权利要求1或4所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于所述基液为自制蒸馏水。
6.如权利要求1或4所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于所述分散剂为聚丙烯酸类高分子聚合物分散剂。
7.如权利要求1或4所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于所述分散剂的用量为纳米流体体积分数的5—9%。
8.如权利要求1所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质，其特征在于所述磁性微球的制备：在55℃下，将0.5mol/L的FeCl2溶液和0.4mol/L的FeCl3溶液，按1∶ 2体积比加入到反应器中，在分散机12000r/min搅拌的同时，滴加一定量的3mol/L NaOH溶液，并升温到80℃，搅拌30min，反应完成后用磁场分离沉淀，蒸馏水反复洗涤至上清液中性，烘干得到黑色粉末状的Fe3O4磁流体，将磁性粒子悬浮于聚乙烯亚胺(PEI)溶液中，通过过滤，干燥处理即得磁性微球。
9.如权利要求1所述的一种太阳能集热管用纳米流体传热工质的制备方法，其特征在于将适量的磁性微球倒入TiO2 纳米流体溶液中，搅拌混匀，用细胞粉碎机分散30min后，倒入分散介质(油、吐温、正丁醇)中，在一定温度下搅拌4h，即制成该太阳能集热管用纳米流体传热工质。
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