SiO2 纳米流体的制备及在太阳能集热管中的应用研究

肖生鹏，李晓霞，王颢蒙

（1.兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030；2.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050；3.甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室 酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

0 引言

纳米流体是指通过在液体介质中添加纳米级的金属或非金属粒子形成的一类具有较高导热性能、稳定性较好的传热工质。1995 年，Choi 首次提出纳米流体的概念[1]。国内外很多学者针对纳米流体优异的热传输性能和辐射特性开展的广泛的研究，Bhanushali对比了四种不同颗粒形态的铜纳米流体的热导率，发现在铜纳米流体体积分数为0.25%时，线形铜纳米流体的热导率相比于基液提升了40%[2]。

太阳能作为地球上储量最丰富的可再生清洁能源，太阳能光热利用是太阳能清洁高效利用的主要途径。除了利用常规方法来提高太阳能集热器的效率外，其中最有效的方法之一是利用高导热性能的工质来代替原流体介质，纳米流体的高导热性能及辐射特性，可用于冷却光伏板从而提高光电的转换效率，也可用提高太阳能的吸收率等。基于此，通过实验制备了不同质量分数的SiO2纳米流体，并对其导热性能进行测试，并采用数值模拟方法对纳米流体应用于太阳能集热器的流动特性进行分析，本研究为纳米流体应用于太阳能行业提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 纳米流体的制备

目前制备分散均匀、稳定的纳米流体最常用的方法从整体上可分为“一步法”和“两步法”[3]。目前实验室研究最常使用的方法是“两步法”。两步法制备过程主要包括干粉状纳米粒子加入到液相中，物理方法使纳米粒子均匀分散，化学方法保证纳米流体体系稳定，防止团聚。在两步法中，最关键的问题是掌握纳米流体颗粒和液相的选择以及制备工艺的确定，包括分散方式、分散时间、分散次数和分散剂含量等。在采用两步法制备二氧化硅纳米流体的基础上，增加了对纳米流体的高压微射流分散过程。图1 为高压微射流设备图。图2 为两步法制备流程图。

图1 高压微射流实验设备

图2 两步法制备流程图

利用高速剪切机对纳米颗粒悬浮液进行预分散，并利用高压微射流制备了质量分数为1%、3%和5%的纳米流体。利用马尔文激光粒度分析仪对制备纳米流体的粒径进行分析。制备的SiO2-水纳米流体中颗粒粒径大部分集中在30～40 nm 范围内，不存在较大颗粒，且粒径分布范围较窄，不同质量分数的粒径分布基本一致，分散效果较好，如图3 所示。

图3 3%质量分数二氧化硅纳米流体的粒径分布图

1.2 纳米流体导热系数测试

如图4，使用了热物性测量仪器HotDisk 测量纳米流体导热系数。测试之前，先对基液的导热系数进行多次测量，并取平均值与文献中数据进行对比，实验测得蒸馏水的导热系数值为0.6067 W/m2·K。

图4 Hot Disk 热物性测试测试系统

1.3 纳米流体在太阳能集热管中应用

以闷晒式全玻璃真空集热管作为研究对象，管内采用自然对流循环方式，安装角度为正南45°，真空管的规格为φ58 mm × 1.8 m。为了计算方便，对模型进行简化[4]，且在模拟过程中，没有考虑纳米颗粒之间的团聚、管壁的摩擦阻力、流体的黏性耗散以及纳米流体制备过程中产生的微小气泡等因素的影响[5]。采用混合模型对全玻璃真空管内纳米流体的对流换热特性进行模拟。对流相的设置采用一阶迎风格式且压力-速度耦合选择SIMPLE 算法求解。为不失一般性，主要模拟了质量分数为3%的二氧化硅纳米流体，颗粒粒径为30 nm，导热系数采用实验测试值，并与水进行对比，真空管上壁面为恒定均匀热流，热流密度为700 W/m2，太阳能集热管倾斜45°放置，加热时间为1 h。

2 结果与分析

2.1 导热性能分析

图5 为二氧化硅纳米流体导热系数随质量分数的变化图和相对于基液纳米流体导热系数提高率随质量分数的变化图。测试结果表明，随着质量分数的增大，二氧化硅纳米流体的导热系数随之增加。质量分数为1% 的纳米流体导热系数与基液相比提高6%，二氧化硅纳米流体质量分数增加至5% 时，导热系数提高20% 左右。

图5 导热系数提高率随质量分数的变化

2.2 模拟结果分析

图6 为分别以水和以3%质量分数SiO2-水纳米流体为工质的真空集热管沿径向截面速度场分布（管中部），从图中可以看出添加纳米流体后管内工质流动速度得以提高，轴向速度平均提高14%，循环流动加强。

图6 真空管纵向截面速度分布（管中部）

分析其主要原因是：一方面纳米颗粒的比热容和导热系数远大于基础液体，根据实验测试结果表明，纳米颗粒的添加对于基液导热系数的提高起到很大作用，即增强了流体工质的导热能力，热流密度也大大增加；另一方面是纳米级的固体颗粒主要受到布朗了、重力和也液体间的摩擦碰撞各项作用力的共同作用，加强了颗粒与颗粒、颗粒与液体、颗粒与表面之间的能量交换和湍流度，减小了流动边界层和温度边界层，更加强化了流体与固体壁面的传热特性，最终整个系统的传热系数得到提高。

3 结论

在采用两步法制备了二氧化硅纳米流体，并实验测定不同质量分数下纳米流体的导热系数。结果表明，随着纳米流体质量分数的增大，纳米流体导热系数逐渐提高。模拟研究纳米流体为工质的真空管内流动特性，结果表明添加纳米流体后集热管内工质流动速度明显提高，管内流体速度平均升高14%。本研究为纳米流体应用于太阳能集热器中提供重要理论参考。