纳米流体太阳集热器的光热性能研究

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1、纳米流体太阳集热器的光热性能研究摘　要：采用直流碳弧法制备了平均粒径为25nm的碳包铜纳米颗粒，包覆的碳层有效的避免了周围环境对铜纳米粒子的影响。采用超声波振荡和添加分散剂的方法，将碳包铜纳米颗粒均匀稳定的分散在体积比为1∶1的乙二醇水溶液中，获得了用于直接吸收式太阳集热器的循环工质－碳包铜纳米流体。通过闷晒实验，研究了碳包铜纳米流体的光热转换性能；通过对集热器热效率的测试，研究了碳包铜纳米流体太阳集热器的热性能，结果表明：添加纳米颗粒后，碳包铜纳米流体的光热转换性能明显优于基液和涂有黑漆的铜管表面。直接吸收式的碳包铜纳米流体太阳集热器显著提高了集热器的集热效率

2、，实验中的最高集热效率可达74.688%，比传统平板型集热器的集热效率提高了近10%。关键词：碳包铜纳米颗粒；纳米流体；太阳集热器；光热性能中图分类号：TK515　　　　　　文献标识码：A０　引言1995年，美国Argonne国家实验室的Choi[1]在国际上首次提出了“纳米流体（Nanofluids）”的概念，即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。纳米流体由于具有优异的强化传热性能而得到了广泛研究，研究方向主要包括[2-6]：纳米流体的热传导、自然对流换热、强迫对流换热、池内沸腾换热以及流动沸腾换热等。目前，国

3、内外对纳米流体的应用研究主要集中在强化传热领域，而对于纳米流体在其他方面的应用则研究得相对较少。近两年，考虑到纳米流体优异的热输运性能以及纳米颗粒特殊的光吸收性能，有研究者提出将纳米流体用作直接吸收式太阳集热器的循环工质[7-11]，利用纳米流体直接吸收太阳辐射能，以达到提高集热器热效率的目的。已研究的用作太阳集热器循环工质的纳米流体主要有SiO2-水、Al2O3-水、碳纳米管-水等无机非金属纳米流体[8,9]和铝-水[10]、铁-醇水混合物[11]等金属纳米流体。在金属纳米流体中，金属纳米粒子由于具有表面效应和量子尺寸效应，其光学性质与块体金属相比，发生了显著

4、的变化，出现了吸收带的蓝移和红移以及宽频带强吸收的奇异特性[12]。但金属纳米流体在制备和应用的过程中存在的一个最大不足就是其中的金属纳米粒子容易与周围的介质发生化学反应而失效。本工作采用直流碳弧法制备了碳包铜纳米颗粒，并将其均匀稳定的分散在体积比为1∶1的乙二醇水溶液中，获得了用于直接吸收式太阳集热器的循环工质－碳包铜纳米流体，包覆的碳层在很小的空间内禁锢了铜纳米粒子，有效的阻碍了周围环境对铜纳米粒子的影响。文中对碳包铜纳米流体的光热性能及其太阳集热器的集热效率进行了实验研究。１　纳米颗粒与纳米流体的制备1.1碳包铜纳米颗粒的制备本工作采用直流碳弧法制备了碳包

5、铜纳米颗粒，具体操作过程如下：用直径为5mm的纯石墨棒做阴极，将纯铜粉（化学纯）和石墨粉（试剂纯）按一定比例混合均匀压制成块状置于铜电极上做阳极（本工作中Cu的质量百分含量为60%），电极间的距离保持在3~4mm。将工作室抽真空至2Pa以下，然后通入高纯He气，He气压控制在50kPa。直流电压为60V，控制反应电流在150A左右。接通电源起弧，两极间形成稳定的电弧，反应室内产生烟状的气流，在工作室器壁上沉积形成烟灰。反应结束后，收集生成的烟灰用甲苯过滤，去掉其中的富勒烯，通过酸洗去掉其中未包覆完全的铜，即得到碳包铜纳米粉体。碳包铜纳米粒子的形貌和粒径分析采用日

6、本电子株式会社的透射电子显微镜（JEM-2000HR）；物相分析和平均晶粒尺寸计算采用日本理学株式会社的X射线衍射仪：型号D/max-2500，CuKα射线石墨单色器，工作电压40kV，电流30mA，扫描范围10o~80o，扫描速度12o/min。测试结果如图1、2、3所示。从碳包铜纳米颗粒的高分辨率电镜照片可以看出，碳是以石墨片层形式形成类洋葱结构紧密环绕在纳米铜颗粒周围，呈近似有序排列，铜纳米粒子则处于洋葱的核心，因此碳壳可以在很小的空间包覆禁锢铜纳米粒子，有效的避免了环境对铜纳米粒子的影响。从TEM照片可以看出，碳包铜纳米颗粒的平均粒径约为25nm左右，根

7、据X射线衍射数据算得平均晶粒尺寸为15.2nm。从X射线衍射的物相测试结果可以看出，所制备的碳包铜纳米粉体中没有出现氧化铜相，只有碳和铜的相，证明了碳层的保护作用。图1纳米碳包铜颗粒的高分辨率电镜照片Fig.1HREMofcarbon-coatedcoppernano-particles图2纳米碳包铜颗粒的透射电镜照片Fig.2TEMofcarbon-coatedcoppernano-particles图3纳米碳包铜粉的XRD图谱Fig.3X-raydiffractionpatternofcarbon-coatedcoppernano-particles1.2碳

8、包铜纳米流体的制备碳包铜