碳酸盐纳米流体的制备及其热物性研究

作     者：艾文明 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：桑丽霞;李清方

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：三元碳酸盐 高温纳米流体 热物性 微观结构 热稳定性 

摘      要：积极开发和利用清洁可再生能源符合当前能源与环境发展的要求,太阳能热发电是可再生能源规模化应用的重要途径。为了解决太阳能应用中的间歇性和稳定性问题,提高太阳能热发电系统运行效率,亟需一种热物性优良、成本低廉、环境友好的传热蓄热工质。熔盐因具备宽广工作温度、低熔点、低蒸汽压力、低成本、高热稳定性等优点,广泛应用在太阳能热发电、电网运行、工业余热废热回收利用等领域,但其较低的比热和导热系数难以满足当前系统运行的需求。本文以工作温度高于800℃的碳酸盐为基盐制备熔盐纳米流体,探求热物性强化更好的制备方法及条件,并对其强化机制进行分析。本文以三元碳酸盐KCO-LiCO-NaCO(4:4:2,质量比)为基盐,添加SiO、AlO、多壁碳纳米管(CNT)纳米颗粒制备熔盐纳米流体。探究分析了两步水溶液法制备纳米流体过程中蒸干方式(干燥箱和加热盘)、纳米颗粒浓度(0.25、0.5、1.0、1.5、2.0wt%)、蒸干温度(100、120、140、160、180、200、220、240℃)和表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、阿拉伯胶)以及高温熔融法制备纳米流体过程中搅拌时间(15、30、60min)和搅拌速率(500、750、1000rpm)对样品比热、导热系数等热物性的影响。实验结果分析发现:(1)添加SiO纳米颗粒,两步水溶液法中选择干燥箱在180℃蒸干制得纳米流体的比热提高量达到129.3%,而采用加热盘蒸干制得样品的最大比热提高量为33.5%。部分原因是蒸干方式引起的样品组分比例发生变化所致,尤其是LiCO的比例;(2)添加SiO和AlO纳米颗粒的最佳浓度均为1.0wt%,但SiO纳米颗粒对三元碳酸盐比热和导热系数的强化效果更好;(3)在三元碳酸盐中只添加CNT可使其比热提升26.3%,使用十二烷基硫酸钠作为表面活性剂在140℃蒸干温度下可更好地分散CNT,相应的比热和导热系数分别提高了77.6%和149.2%,而仅添加表面活性剂对样品比热没有明显改善;(4)采用高温熔融法制备SiO-碳酸盐纳米流体时适宜的搅拌速率(750rpm)和搅拌时间(30min)使样品比热和导热系数提高量达到38.5%和50.0%,且样品经高温恒温和大温差热冲击实验后有较好的热稳定性;(5)通过XRD分析发现添加纳米颗粒后样品中没有新物质生成,但SEM表征发现有特殊的纳米结构生成。这些结构具有较大的表面积,可提高表面能对样品比热的影响及形成利于传热的热通道,是纳米流体热物性提高的重要原因,而适宜的制备方法和条件可以有效分散纳米颗粒和促进纳米结构的生成。