碳纳米管-水纳米流体的光热转化特性

碳纳米管-水纳米流体的光热转化特性
屈健;田敏;王谦;韩新月
【摘要】Stable aqueous suspensions of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)with mass fractions ranging from 0.0015% to 0.1% were prepared via two-step method.The impacts of mass fraction,setting time,and heating times on the optical absorption property of MWCNT-H 2 O nanofluid were investigated according to the transmittance measured by UV-VIS-NIR spectrophotometer over the wavelength from 200 to 2000 nm.Furthermore,an insolation experiment was performed to investigate the effects of mass fraction and light irradiation times on the photo-thermal property of MWCNT-H 2 O nanofluids.Results show that the transmittance of MWCNT-H 2 O nanofluid was decreased evidently after the addition of MWCNTs in deionized (DI)water,and long setting time leads to smaller transmittance.Heating is beneficial to improve light-absorption property of nanofluids.An optimal mass fraction of 0.01% with respect to the best photo-thermal conversion was pared to DI water,the temperature of MWCNT-H 2 O nanofluid at the optimal mass fraction was increased by about 15.1℃ (or 22.7%)after a lighting time of 45 min.Additionally,photo-thermal conversion performance is enhanced with increasing the lighting time at a low concentration of
nanofluid,while it is just opposite at higher concentrations.The nanoparticle agglomeration may account for the above results.%通过两步法配制了浓度范围0.0015%~0.1%(质量，下同)的多壁碳纳米管(MWCNT)-水纳
米流体，并利用分光光度计对不同浓度、静置时间和加热次数下纳米流体在波长200~2000 nm 范围内的透射率进行了测试。

同时，还对上述纳米流体开展了闷晒实验，研究了浓度和光照次数对纳米流体光热转换性能的影响。

结果表明，水中添加 MWCNT 后透射率明显下降，纳米流体的透射率随着静置时间的增加而减小，加热有利于提高纳米流体的吸光性能；同时，闷晒实验发现存在利于光热转化的MWCNT-水纳米流体最佳浓度(0.01%)，光照45 min 后与水相比最佳浓度下的纳米流体温升提高了约15.1℃(或22.7%)。

另外，纳米流体浓度较低时其光热转换性能随着光照次数的增加而提高，但浓度较高时则刚好相反，纳米颗粒团聚作用可能是造成上述结果的主要原因。

【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2016(067)0z2
【总页数】7页(P113-119)
【关键词】纳米材料;太阳能;光热特性;透射率;团聚
【作者】屈健;田敏;王谦;韩新月
【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013;江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
纳米流体是以一定方式和比例,在液体工质中添加纳米级的金属或非金属粉体后形成的一种新型传热工质。

自1995年Choi等[1]提出纳米流体概念以来,众多学者
对其开展了大量的研究,在取得一系列成果的基础上纳米流体被认为在节能和余热回收利用等诸多领域具有广阔的应用前景[2]。

目前,国内外学者对纳米流体的研究主要集中在热物性、强化传热、机理分析和一些新的应用等方面[2-3]。

除了具有优异的热输运性能外,纳米流体在光吸收方面同样表现出众。

近年来,有研究者提出将纳米流体作为直接吸收式太阳能集热器(DASC)的循环工质,利用纳米流体直接吸收太阳辐射能,可有效提高集热器的温升速率和集热效率[4-7]。

与传统的传热强化研究相比,太阳能集热器所用纳米流体工质的选择除了需要满足悬浮稳定和均匀分散外,还要求具有较好的光吸收性能,为此多种纳米金属、金属/非金属氧化物[8-13]以及碳纳米材料[14-17]都是目前使用的对象,而水和乙二醇则是较常用的基液[6]。

在众多纳米材料中,碳纳米管作为近似黑体的材料在紫外-可见光区的光吸收性能优异[18],且具有高热导率的优点,是DASC的理想选择之一。

Hordy等研究了MWCNT在不同种类基液中的稳定性,发现醇基纳米流体稳定性较好,而水基和油基类纳米流体稳定性稍差;但是加热一定时间后,只有油基纳米流体的稳定性变差,醇基和水基的基本保持不变[19];他们还研究了MWCNT-水纳米流体液滴在532 nm波长激光作用下的热反应和蒸发特性,形成的局部容积生热率高达133 W·cm-3,并且发现激光的定点照射无法使液滴发生局部沸腾,而是迅速将热量传至整个液滴,光热转化效率至少可达64%,这与添加碳纳米管后液体热导率的提高有关[20]。

Meng 等[21]把MWCNT酸化处理后分散于乙二醇中,对其光热转换特性的研究发现能够吸收全波段的太阳能,在很小的质量分数(0.03%)下其透射率就接近于零。

何钦波等[22]比较研究了Cu-水、Co-水和MWCNT-水纳米流体在太阳能全波段的透射率,发现在相同质量分数下MWCNT-水纳米流体的透射率最低,光吸收性能最佳。

上述研究表明,使用MWCNT纳米流体可以有效提高DASC的集热效率,且在众多纳米流体中具有独特优势。

本文配制得到了分散均匀、悬浮稳定的MWCNT-水纳米流体,并对该纳米流体的光吸收特性进行了测试分析。

在此基础上,借助太阳光模拟器对不同浓度的MWCNT-水纳米流体以及去离子水进行了光热对比实验,通过研究获得了浓度和光照次数对纳米流体光热转化特性的影响规律,发现存在适于太阳能集热的最佳浓度,且该最佳浓度与光吸收特性测试结果基本一致,一定程度上发现了该纳米流体光学特性与光热转换性能之间的内在联系。

本研究对揭示反复光照情况下纳米流体光热转化特性和提高其在DASC方面的使用效率具有很好的参考意义,将为促进纳米流体在太阳能集热领域的实际应用提供帮助。

本实验所用的MWCNT水分散液由中国科学院成都有机化学有限公司提供(质量分数8%,分散剂为TNWDIS)。

首先称取一定量的MWCNT水分散液,将其与去离子水混合后磁力搅拌一定时间,即可形成均匀分散且悬浮稳定的纳米流体,其透射电镜(TEM)照片如图1所示。

本研究配制的纳米流体质量分数范围为0.0015%～0.1%,图2给出了刚配制好和静置两周后不同浓度的MWCNT-水纳米流体的对比照片,从中可以发现该纳米流体的分散稳定性很好,未见明显分层现象。

2.1 浓度的影响
为获得不同浓度MWCNT-水纳米流体的光吸收特性,本研究采用紫外-可见-近红外分光光度计(Lambda 950)测量了纳米流体透射率随波长的变化曲线,结果如图3所示。

从图中可以看出,去离子水基液在紫外可见光区域内透射率接近100%,几乎不吸收;与基液相比,纳米流体的透射率随着碳纳米管质量分数的提高而减小,这是因为质量分数增加后流体内的碳纳米管数量增多,导致对光的吸收和散射都加强,使流体透射率呈下降趋势。

当质量分数为0.01%时其透射率已接近零,可认为该浓度下纳米流体已基本能够对太阳能全波段吸收。

对于0.01%及0.025%的MWCNT-水纳米流体,两者透射率曲线基本重合,说明当质量分数高于0.01%后其对光的透射并无明显影响,因此0.01%可视为其对光吸收的临界饱和浓度。

2.2 静置时间的影响
由于图2只是通过肉眼观察来判定纳米流体的分散稳定性,存在一定偏差。

为此,可采用分光光度计测试静置不同时间后MWCNT-水纳米流体的透射率随波长变化情况来了解其悬浮稳定性的细微差异,测试结果如图4所示。

由于图3中0.01%的MWCNT-水纳米流体的透射率受波长变化影响很小(整体接近零),因此这里只选取
了图3中两种较低浓度(0.0015%和0.005%)的纳米流体作为测试对象。

图4(a)所示为0.0015%的MWCNT-水纳米流体在静置不同时间后的透射率变化
情况(刚制备好,静置1 d、1周和2周分别用0 H、1 D、1 W和2 W表示),从中可以看出在200～1380 nm的波长范围内纳米流体的透射率随着静置时间的增加而
逐渐下降;而1380 nm后其透射率接近零,则是由于大于此波长后去离子水对太阳
光基本全吸收造成的[23],与纳米流体的质量分数无关。

另外还发现,不同静置时间
下的最高透射率均出现在约860 nm波长处,与刚制备好的纳米流体相比,静置1 d、1周和2周后的最高透射率分别下降了约3.25%、4.05%和7.12%。

对于图4(b)
所示的0.005%的纳米流体,其透射率的变化情况与图4 (a)相似,与刚制备好的纳米流体相比,静置1 d、1周和2周后的最高透射率则分别下降了约0.45%、1.55%和3.05%。

理论上,由于纳米流体静置一段时间后会因团聚及重力原因而出现一定的浓度梯度,
上层液体会因浓度较低而具有较弱的吸光性能[19],为了与下文的集热实验相匹配,
这里测试的是距离液面高度约1.5 cm处的透射率而非大多文献所报道的工质液面附近的值。

因此由图4的测试结果可知,虽然静置一定时间后MWCNT-水纳米流
体会因团聚及重力作用而出现浓度梯度,并导致其透射率的逐渐下降,但其下降幅度
有限,总体而言MWCNT-水纳米流体的稳定性较好。

2.3 加热次数的影响
为了解MWCNT-水纳米流体在实际应用过程中的吸光特性,本文还研究了其经加热
后的透射率随波长的变化情况,以模拟光照加热的影响。

加热测试的具体操作步骤
如下:首先,将经充分磁力搅拌MWCNT-水纳米流体置于恒温水槽内,由室温加热45 min至80℃,取出冷却到室温后静置1 d记为加热1次,重复上述步骤继续加热1
次再静置1 d记为加热2次,以此类推;然后,用胶头滴管吸取中间位置液体,加入比
色皿后通过分光光度计测试,结果如图5所示。

图5(a)给出了0.0015%的MWCNT-水纳米流体在不同加热次数下其透射率随波长变化的情况,在透射率最高的860 nm处,加热1次、2次和3次后透射率分别比未加热情况下降低了7.22%、6.57%和4.41%。

对于图5(b)所示的0.005%纳米流体,其透射率变化情况与图5(a)相似,与刚制备好的纳米流体相比,加热1次、2次和3次后的最高透射率则分别下
降了2.22%、1.21%和2.51%。

对于上述两种不同质量分数的纳米流体,加热次数
不同对透射率的影响程度不同,但是加热1次后均使透射率下降最多,后续的加热又使得透射率有所升高。

总体而言,加热会导致MWCNT-水纳米流体透射率的下降,
从而增强其吸光性能,这对纳米流体在DASC领域的应用是有利的。

形成上述结果
的主要原因是温升作用易使碳纳米管发生一定程度的团聚,而在上述低浓度下形成
的团聚不会导致明显的沉降,更利于太阳光的吸收。

然而,反复加热可能导致碳纳米
管纤维团聚作用的增强,反而形成一定程度的沉淀,造成透射率的上升,这与浓度密切相关。

在上述MWCNT-水纳米流体光吸收特性测试分析的基础上,下面将着重研究水中添加MWCNT后对其光热转化性能的影响,实验装置如图6所示。

5种不同浓度的MWCNT-水纳米流体和去离子水被置于透光率92%的高硼硅玻璃试管中(试管外
径30 mm,长度200 mm)。

为了保证光吸收面积相等,液体都处于同一高度,为防止液体升温过程中溢出,液面与试管橡胶塞间留有一定空隙。

所有的试管都放在由保
温玻璃棉板(热导率0.038 W·m-1·K-1)制作的盒子中,相邻两试管间中心距为6 cm。

同时,在试管之间的玻璃棉板表面还贴有铝箔纸,以减小玻璃棉板受辐射作用引起的
向其两侧试管内的热量传递。

放置试管的盒子有一定倾斜,使试管中心线与水平面
呈15°倾角,太阳光模拟器(TRM-PD)垂直照射试管,并通过太阳能辐射表记录太阳辐射强度,本研究所选辐射强度平均值约为(980±15)W·m-2。

每个试管内中心线附近的样品温度均由2个Omega公司产T型热电偶(精度±0.1℃)进行测量,取两者的
平均值作为内部工质温度,所有温度数据通过数据采集器(Agilent 34970A)进行实
时采集,环境温度保持在20℃。

3.1 浓度的影响
图7给出了不同质量分数的MWCNT-水纳米流体与去离子水在光照下的温度随时间变化情况,从中可以看出,与纯水相比添加碳纳米管后水的光热转换性能明显增强。

水中添加碳纳米管后其太阳光谱吸收特性发生改变,增强了对光的散射和吸收效果[24]。

同时,从图7中还可以发现,存在利于纳米流体光热转换的最佳浓度,碳纳米管质量浓度由0%(纯水)上升至0.01%的过程中,相同时刻的流体温度随着浓度的提高而不断增加;若继续增加浓度至0.025%和0.1%,则相同时刻的流体温度随着浓度的提高而不断减小,表明纳米流体的光热转化性能发生下降。

因此,0.01%即为上述测
试浓度范围内利于太阳能光热转化的纳米流体最佳浓度,在45 min时刻0.01%纳
米流体的温度比水高约15.1℃(或者22.7%)。

值得注意的是,该最佳浓度与前面光
吸收特性中的临界饱和浓度(0.01%)刚好一致,由此可知过高的浓度反而会削弱该纳米流体的光热转化能力。

在质量浓度开始增加的过程中(由0%增加至
0.01%),MWCNT-水纳米流体的透射率逐渐降低(图3),对太阳光的吸收不断加强,因此工质的整体光热转化能力不断提高。

但质量浓度过高后,一方面,纳米流体本身具
有的较大红外发射率将引起较大的散热损失[13];另一方面,高浓度纳米流体将使相
当多的光能在其液体表面附近即被直接吸收。

而本实验热电偶布置在试管中心线附近,采集的是距离试管表面1.5 cm处流体的温度,因此该处对光能的吸收量可能反
而低于浓度较低时,导致与纯水相比温度升高幅度也相应下降。

总体而言,加入
MWCNT后水的光热转化性能将得到明显增强,但考虑到稳定性和最佳浓度的存在,需要选择合适的纳米流体浓度,并非越高越好。

3.2 光照次数的影响
图8给出了不同浓度的MWCNT-水纳米流体经多次光照实验后温度随时间变化的情况。

每次光照实验结束后均静置24 h,然后才进行后续的重复实验。

图8(a)是0.0015%纳米流体在不同光照次数下温度的变化曲线,与第1次光照相比,第2次、第3次和第4次光照的温度分别升高了6.36℃、5.54℃、1.37℃,温度变化率逐渐减小。

结合图5 (a)纳米流体透射率随波长的变化曲线,说明重复实验有利于提高MWCNT-水纳米流体的光热转化性能。

光照后纳米流体温度升高,造成纳米颗粒团聚趋势的加剧[25]。

碳纳米管因团聚使其平均尺寸增大,散射作用将大大加强,导致消光系数增大,光吸收性能增强。

颗粒发生团聚后,在长波处散射效应会得到显著提高[26],虽然在短波处同时会降低光的吸收峰值,但该波长区域内光热转化能力较差[27],抵消作用比较有限,所以适当的团聚作用对增强纳米流体的光热转化性能是有帮助的。

Song等[28]的研究同样指出,小团聚易于提高纳米流体的光吸收效果,增强光热转化性能。

因此上述结果与加热次数的影响(图5)类似,很可能是由于光照温升作用下碳纳米管纤维团聚引起的,后续还有待进一步研究验证。

对于图8(b)所示的0.005%纳米流体,其前3次光照实验的温度变化与图8(a)相似,但第4次光照时则有所不同。

与第1次光照温度相比,第2和第3次光照的温度分别升高了3.71和1.42℃,而第4次却下降了1.39℃。

光照升温利于光热转换,但是在浓度升高后团聚也会相应增强,团聚粒径过大容易使悬浮稳定性变差而出现沉降,反而降低光热转换性能,不利于对光的吸收。

图8(c)中质量分数为0.01%时,与第1次光照实验相比,第2、第3和第4次温度分别下降了5.94、8.19和8.94℃。

表明随着光照次数的增加,纳米流体光热转换性能逐渐下降,但下降程度却逐步趋缓,而且其光热转化效果仍然明显优于水。

本文测试研究了不同质量浓度的MWCNT-水纳米流体在不同静置时间和加热次数情况下的光吸收特性,并对MWCNT-水纳米流体开展了光热对比实验,获得了浓度和光照次数对纳米流体光热转化性能的影响规律,主要得到以下结论。

(1)MWCNT-水纳米流体的透射率随着浓度的提高而下降,当质量浓度达到0.01%后透射率即接近零,波长对其无明显影响。

纳米流体的透射率随着静置时间的增加而下降,加热作用有利于降低纳米流体的透射率,从而增强光的吸收性能。

(2)水中添加MWCNT后总体上可明显提高其光热转换能力,但存在利于光热转化的最佳浓度(0.01%),该浓度与光吸收特性中的临界饱和浓度一致。

MWCNT的质量分数对纳米流体的光热转化性能影响较大,当质量分数低于最佳浓度时其温升幅度随着浓度的提高而增加,超过最佳浓度后温升幅度反而随着浓度的提高而下降,在最佳浓度时与纯水相比光照45 min后其温升提高了约15.1℃(或22.7%)。

(3)光照实验次数对不同浓度MWCNT-水纳米流体的光热转化性能影响较大,纳米颗粒团聚作用可能是形成上述结果的主要原因,由于本文实验重复次数相对较少,后期还将对其开展深入研究,以探讨MWCNT-水纳米流体在DASC领域的实际应用能力。

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