010-82930964 
编号：CYYJ04527
篇名：炭黑-胶原蛋白纳米流体动态集热性能及分散稳定机理的模拟研究
作者：徐逢时
关键词： 光热利用; 炭黑纳米流体; 胶原蛋白; 转子扰流; 动态集热; 分散稳定性;
机构： 北京化工大学
摘要： 炭黑-胶原蛋白纳米流体是一种光热转换性能良好且价格低廉的集热工质,但存在以下两方面问题:一是在浓度较高时,纳米颗粒数量的增加阻碍了光线的传播路径,使得深层纳米颗粒光热转换性能差;二是该纳米流体体系分散稳定性尚未知晓。针对上述问题,本文通过转子扰流提高纳米流体光热性能,并通过分子动学模拟分析纳米流体分散稳定机理,为炭黑-胶原蛋白纳米流体提供了应用基础及理论支撑。 本文首先从宏观角度探究纳米流体在密闭集热管以及流动集热管内的光热性能。在密闭集热管中,以流体的平均温升值、速度云图、温度云图等作为参照,通过模拟手段系统研究了转子转速、直径、类型及螺距、纳米流体浓度、转子间距对集热性能的影响。结果表明,在转子的研究参数范围内,转子转动时转速对光热性能的影响较小,但对管内纳米流体温度均匀性影响较大;转子的直径越大、螺距越小,对纳米流体的扰动能力越强,转子类型为三叶片转子时纳米流体集热效果最佳;在三叶片转子强化集热时,纳米流体在研究的浓度范围内,光热转换效率随浓度的升高而增大;转子排布间距越小,纳米流体集热温升越高。 在流动集热管中,首先通过模拟不同类型及结构的转子在低入口流量下的转动情况,从而得到低流量时扰动能力最佳的转子为螺距50 mm的三叶片转子。接着模拟转子作为固定扰流以及旋转扰流元件时,纳米流体浓度、入口流量对光热性能的影响。结果表明,在研究参数的范围内,入口流量越低、纳米流体浓度越高时,纳米流体集热温升越高;其它条件相同时,纳米流体在固定扰流及旋转扰流时的温升大致相同,且均高于光管下的温升值;因此,在低入口流量时,转子作为固定扰流件即可很好提升纳米流体的光热性能。 本文最后通过分子模拟分析得到炭黑-胶原蛋白纳米流体分散稳定机理:炭黑表面是疏水的,蛋白侧链有很多疏水基团,使得蛋白表面与炭黑表面间有很强的吸引力;同时胶原蛋白还含有一定数量的亲水基团,这些亲水基团与水之间有比较强的相互作用,与炭黑表面间具有一定的排斥力,从而使得胶原蛋白疏水的一侧紧贴在炭黑颗粒表面,而亲水的一侧则远离炭黑表面,呈现出“趴附”的形态;吸附在炭黑表面的胶原蛋白中的亲水基团还起到阻止不同的炭黑颗粒间发生团聚的作用,进而维持炭黑颗粒在水中的分散。 综上所述,本文不仅从宏观角度研究了炭黑纳米流体在转子扰流强化下的光热性能,而且从微观角度分析了纳米体系的分散稳定性,为纳米流体在太阳能光热利用中提供依据。
