微通道内碳纳米管的光热转换特性研究

作     者：王瑞森 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭成龙

授予年度：2019年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：光热转换 微通道 纳米流体 太阳能选择性吸收涂 

摘      要：太阳能储量丰富但能量密度低,收集困难。本文将优质光热转换材料以纳米流体和纳米材料涂层两种形式与微通道结构相结合,利用微通道效应实现太阳能的高效收集。纳米流体由于纳米颗粒的加入,可以表现出远优于基液的光吸收性能,在微通道的强化作用下可以实现在短距离内的快速温升。由纳米材料制成的太阳能选择性吸收涂层在实现高效光热转换性能的同时可以避免纳米流体稳定性欠佳的问题,并且由于微通道大比表面积的特点,与常规的间接吸收式太阳能集热器相比,将光热材料负载在微通道内壁大大强化了涂层与工质的换热过程,有利于集热器效率的提高。本文设计了基于微通道的集热装置,通过实验手段研究了纳米流体与纳米材料涂层的光热转换特性。首先以十二烷基硫酸钠(SDS)为分散剂制备了稳定性良好的碳纳米管(CNT)纳米流体,在CNT质量分数为0～0.02%的范围下,微通道集热系统的光热转换效率随CNT质量分数的增加而提高,但增幅逐渐变缓。流速的增加也可以在一定程度上提高光热转换效率,其中当流速为1.6 cm/s时,0.02 wt%的CNT纳米流体光热转换效率达到了91.2%。在CNT纳米流体的基础之上,制备了碳纳米管/氧化铜(CNT/CuO)二元纳米流体,纳米CuO颗粒的添加进一步提升了微通道集热器的光热转换性能,对于0.0025wt%的CNT纳米流体,添加0.025～0.2 wt%的纳米CuO均能对系统的光热转换性能起到改善作用,但在CuO的含量达到0.1 wt%后,提升效果相对于质量分数的增加较为不明显。使用纳米CuO对CNT纳米流体进行掺杂,0～0.02 wt%的CNT纳米流体的光热性能均可得到进一步提升。质量分数为0.02%/0.1%的CNT/CuO混合纳米流体在1.6 cm/s的流速下,光热转换效率可以达到95%。鉴于纳米光热材料在流体中的不稳定性,以聚乙烯醇(PVA)为粘结剂,提出了微通道内壁负载碳纳米管/聚乙烯醇(CNT/PVA)涂层的制备方法,包括壁面预处理与涂层材料的负载,由于微通道大比表面积的优势,固定化的光热材料仍可以实现良好的光热转换效果,其中由CNT含量为0.2 wt%的混合液所制备的微通道负载涂层在1.6 cm/s的工质流速下可以达到86.9%的光热转换效率。