納米流體在太陽能集熱器熱管中的應用研究

摘 要：大量的實驗研究表明，納米流體的導熱系數明顯地高于其基液的導熱系數，在強化傳熱方面和沸騰傳熱方面都有巨大的潛能。作為一種新型傳熱冷卻工質，納米流體已成功應用于熱管強化傳熱領域。從目前的研究情況來看，需要從熱管的使用壽命、可靠性和經濟性等方面對納米流體熱管及其傳熱機理和傳熱性能進行深入研究與完善。

關鍵詞：納米流體；太陽能；應用

如何提高太陽輻射能的轉換效率一直是科研人員研究的重點，雖然我國的真空管集熱技術擁有國際領先水平，但限于玻璃真空管本身易炸管、承載能力低、熱啟動速度慢等缺陷，國外一直較少采用。近十幾年來，隨著熱管技術的出現及對納米流體研究的深入，將納米流體和熱管技術相結合，應用于太陽能集熱器成了一個新興的技術領域。

1 納米流體介質的提出

在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的高效傳熱元件之一，它依靠自身內部工作液體相變來傳遞熱量，可將大量熱量通過其很小的截面積遠距離地輸送而無需外加動力。經過幾十年研究，熱管技術已從最初的滿足空間需要，到現在廣泛地應用于航天領域，廣泛地應用冶金、石油、化工及電子等各個領域。在太陽能熱利用方面，熱管的應用克服了玻璃管易炸管、承載能力低、熱啟動速度慢等缺陷[1]，因此受到了太陽能企業的歡迎。

1995年，美國Argonne國家實驗室[2]首次提出納米流體的概念：即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成一類新的高效傳熱工質。目前，基于納米流體普通熱管的集熱器研究還比較少[3]，因此，我們通過實驗研究了TiC/H2O納米流體的傳熱性能，為集熱器設計提供了依據。

2 試驗系統設計

2.1 熱管管壁材料選取

根據我國管材的規定（GB/T 1527-1997），選用壁厚S=0.7mm、外徑為9.5mm的銅管，長度為750mm，熱管蒸發段長度Le=300mm，冷凝段長度Lc=450mm。

2.2 納米流體的選擇

納米顆粒方面，常用的納米顆粒包括金屬粒子如Au，Ag，Cu，Fe；氧化物粒子如CuO，SiO2，Al2O3，TiO2，ZnO，Fe3O4；碳化物如SiC，TiC；氮化物如AlN，SiN以及碳納米管等[4]。基液方面，常用的有水，乙二醇，機油，以及各類制冷劑溶液等。目前，國內應用廣泛的是銅-水熱管、無機工質熱管[5]，而國外，研究較多的是把熱管的工質用有機物代替。綜合分析不同顆粒的化學性能特點，結合與熱管管壁材質的相容性，我們最終以TiO2/H2O納米流體為工質為研究對象，對不同濃度和不同充液率的多根TiO2/H2O納米流體重力熱管的啟動性能和傳熱性能進行測試。

2.3 納米流體的制備方法

納米流體的制備方法有兩種：一步法和兩步法。一步法是將納米顆粒的制備過程和納米顆粒在基液中的分散過程同時完成。兩步法是將制備好的納米顆粒通過某種手段分散到基液中，制備和分散過程分兩步進行。一步法制備的納米流體中納米顆粒分散均勻，懸浮液具有較高的分散性。但是由于一步法制備工藝復雜，所需設備昂貴，不具備大批量生產的能力，所以現階段主要采用兩步法制備納米流體。

兩步法制備納米流體具有操作簡便，易于控制懸浮液的納米顆粒的體積分數的特點，但流體穩定性不足，可以通過采用高壓微射流分散儀制備形成穩定的納米流體[6]。

2.4 納米流體充液率設計

現有研究成果表明，以Ag/H2O納米流體熱管在充液率為60%時傳熱性能較好，Fe3O4/H2O的最佳充液率為40%，CuO/H2O納米流體脈動熱管充液率采用55%時傳熱性能較好[7]。多數研究表明，納米流體較佳的充液率為50%～60%。所以，我們設計的實驗參數為：質量百分比為0.2%～1%，充液率為50%～70%，如表1所示。

表1 重力熱管沖液參數設計

3 試驗方法

將熱管豎直放置，納米流體熱管采用恒溫水浴加熱方法加熱，蒸發段加熱溫度取90℃，冷凝段完全暴露在25℃的空氣中，通過自然對流和輻射換熱進行冷卻。熱管的管壁溫度通過均布在外壁上的四對鎳鉻-鎳銅熱電偶測量，熱電阻連接至Agilent數據采集儀，通過RS232/RS485信號轉換器連接到計算機的COM端口，在計算機軟件實時采集和記錄測量結果。

4 實驗結果分析

熱管的換熱系數與納米顆粒的種類、粒徑的大小、加入量的比例等因素都有關系，熱管的穩定性也與加入微米級顆粒有關。在選定納米粒子的種類和大小后，我們通過測試實驗測試了納米粒子熱管的傳熱性能，得出了粒子濃度和沖液比對傳熱性能的影響趨勢。

表2 重力熱管沖液傳熱性能測試

根據實驗結果，我們可以得出如下結論：

（1）質量百分比為0.2%～1%的納米流體熱管的啟動時間比去離子水熱管明顯縮短。

（2）隨著納米流體粒子濃度的增加，熱管的啟動時間呈降低趨勢，但當粒子濃度大于一定程度時，隨著濃度的增加，熱管的啟動時間反而會增加。

（3）相同條件下納米流體熱管的等溫性比水熱管好，傳熱能力顯著提升。

另外，我們將一定濃度和沖液比的熱管傾斜不同角度驚醒的傳熱測試，結果發現，當熱管傾斜角度為70°～90°時，啟動時間變化不大；當傾斜角度減小到40°時，啟動時間明顯增加，這說明：重力熱管的傳熱效果與熱管安裝角度有較大的關系。

5 結束語

加入納米粉后熱管的換熱性能得到了明顯的改善，可以認為： 因為納米材料的比表面積很大而具有大的比表面能，當工作流體加熱時，納米粉的布朗運動速度很大，促使氣泡很快地脫離壁面，在蒸發段既加強了液體的擾動，又增加了有效蒸發面積，從而使沸騰換熱得以強化。納米粉的布朗運動使顆粒間頻繁碰撞，加速了熱量在懸浮液內的傳遞，增大有效導熱系數。

參考文獻

[1]周小波，蔣富林，等.熱管式真空太陽能集熱管及其應用[J].太陽能，2011.

[2]Choi S U S. Enhancing Therm al Conductiv ity of Fluids with Nanoparticles.Developm ents and Applications of Non-Newtonian Flows[J].New York：SAME，1995.

[3]趙蔚琳，劉宗明，等.基于納米流體熱管的研究綜述[J].化工機械，2009.

[4]張于峰，謝慧，李德英，等.碳鋼水熱虹吸管傳熱性能的實驗研究[J].天津大學學報，2006.

[5]南照東，譚志誠.高效熱管傳熱工質的熱力學研究[J].物理化學學報，2003，19，883～885.

[6]王輝，駱仲泱，等.SiO2納米流體透射率影響因素實驗研究[J].浙江大學學報，2010.

[7]紀玉龍，徐陳，等.納米流體對脈動熱管最佳充液率的影響[J].工程熱物理學報，2012.

作者簡介：王萬新（1971-），男，山東平原人，講師，碩士，主要從事機械制造自動化研究。