[发明专利]一种太阳能集热管用纳米流体传热工质及制备方法

说明书

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/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。

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。