010-82930964 
编号：CYYJ04531
篇名：炭黑/黄原胶水基纳米流体的稳定性和光热性能研究
作者：尹志凡
关键词： 太阳能集热器; 纳米流体; 炭黑; 黄原胶; 光热性能;
机构： 北京化工大学
摘要： 太阳能是一种清洁、可再生的能源,正推动着全球能源结构的转型。随着能源需求的不断增加以及环境污染问题的日益严重,太阳能的高效利用和转化成为了研究的热点。直接式太阳能集热器是太阳能利用的关键设备,将太阳辐射能直接吸收并转化为集热介质的热能,具有卓越的光热转换效率。纳米流体作为一种新型的固-液两相复合介质,广泛的应用于太阳能集热器领域。其中炭黑纳米流体因其优异的光学吸收性能和热性能,在光热转换领域具有广泛的应用潜力。但是炭黑纳米流体的稳定问题以及对其光热性能影响因素的研究不足一直是限制其在工业领域应用和推广的关键因素之一。 针对这一问题,本研究选取以炭黑(CB)作为纳米颗粒,黄原胶(XG)作为分散剂,水作为基液的炭黑/黄原胶水基纳米流体作为研究对象,旨在提升炭黑纳米流体的稳定性,并深入探讨其光热性能,为优化太阳能集热器中的集热介质提供科学依据。 首先,采用两步法对炭黑/黄原胶水基纳米流体进行制备,并利用多种表征方法对纳米流体的稳定性进行综合评估,探究黄原胶对炭黑纳米流体中的稳定机理以及加入以黄原胶为分散剂的炭黑纳米流体在不同条件下的稳定特性。研究表明,加入浓度为0.1 wt%的黄原胶时,得到的炭黑/黄原胶水基纳米流体稳定性最好。所制备的纳米流体能稳定兼容多种炭黑浓度,具有优异的耐盐性、耐冻融性和金属兼容性,并在较宽的p H范围和热循环条件下表现出良好的稳定性。 其次,对炭黑/黄原胶水基纳米流体的热物理性能进行研究。结果表明,炭黑浓度的增加促进了导热系数的增大,而黄原胶浓度的增加导致导热系数减小;比热容几乎不受炭黑浓度的影响,但与黄原胶浓度呈负相关;密度随着炭黑和黄原胶浓度的增加而增大;热扩散率随炭黑浓度的增加而增大,但随黄原胶浓度的增加而降低;粘度不受炭黑浓度影响,但黄原胶会导致粘度的增加。 最后,深入探究了纳米流体的光学性能以及在不同深度下的光热转换性能。研究表明,炭黑浓度升高会导致纳米流体的光吸收能力显著增强;而黄原胶浓度低于0.3 wt%时不会对纳米流体的光学性能造成影响。光热转换效率随深度的增加呈递减趋势,在20 mm、30 mm、40 mm和50 mm的纳米流体深度下,实现最大光热转换效率的纳米流体的炭黑浓度分别为0.011 wt%、0.009 wt%、0.007 wt%和0.005 wt%,最大光热转换效率分别为60.21%、57.03%、54.38%和50.73%。证实了在不同深度下应合理采用最佳浓度的纳米流体以最大限度地利用太阳能。
