基于纳米颗粒的太阳能脉动热管的理论和实验研究

Novel nanoparticle-enabled oscillating heat pipes (Nano-OHP) for solar thermal harvesting have been proposed for the first time, targeting to solve the issues of efficient solar thermal collecting and heat transfer. This proposal and the related essential fundamentals will be intensively investigated: (1) Together with the experiments of photothermal conversion and steam generation, a numerical model for nanoparticle-based solar vapor generation will be built on radiative heat transfer and phase change heat transfer, aiming to reveal the mechanism for efficient steam generation of nanofluid under solar radiation. (2) Evaporation and condensation experiments of nanofluid under solar radiation, evaporation of nanofluid inside a capillary tube will be performed to investigate the role of nanoparticles during phase change process and the influence on the shape of meniscus. (3) A testing platform will be built for investigating the characteristics of start-up and steady-state heat transfer performance of Nano-OHP, targeting to analysis the influence of key experimental parameters on Nano-OHP. The novel proposal of Nano-OHP for solar thermal harvesting combines the advantages of i) volumetric absorbing of solar radiation, which limits heat leak and benefits thermal collecting; ii) efficient solar vapor generation for formation of bubble and liquid plugs and pumping Nano-OHP, which can reach high heat transfer efficiency. This project will present an up-to-date proposal for efficient solar thermal harvesting.

针对太阳能热利用中的高效热收集和高效传热问题，本项目首次提出了基于纳米颗粒的太阳能脉动热管方案，并对涉及的关键科学问题进行深入研究：（1）从辐射传热和相变传热角度，建立太阳光照下纳米流体产生蒸汽的数值仿真模型，结合光热转换和蒸汽产生实验，揭示纳米流体高效产生蒸汽的内在机理；（2）在太阳光照射和液体相变情况下进行纳米流体蒸发冷凝实验和毛细管中的蒸发实验，探究相变过程当中纳米颗粒的迁移特性和对弯月面的影响机制；（3）搭建基于纳米颗粒的太阳能脉动热管测试平台，对其动态启动、稳态运行和传热特性进行全面的实验研究，掌握关键实验参数对新型脉动热管的影响规律。本项目提出的新型脉动热管方案，利用体积吸收太阳能的方式能够有效地防止向外界漏热，实现高效的热收集；利用纳米颗粒在脉动热管当中高效产生蒸汽的特性形成推动脉动热管运行的气塞液塞分布，实现高效的热传输。本项目的研究能够为太阳能热利用提供一套高效的新方案。

太阳能热利用需要解决两个关键的问题，第一个问题是提高太阳能转换成热能的效率，即把太阳能“吸进来”的问题；第二个问题是将已转换热能高效传递给流体工质并传导出去，即把热能“导出去”的问题。如何在高效传热的同时实现太阳能的高效热收集是热管型太阳能集热面临的一个重要问题。申请人首次提出了一种基于纳米颗粒的太阳能脉动热管，通过将工质中加入纳米颗粒，来提高工质的光热转换效率；通过将纳米流体与太阳能脉动热管相结合，高温的纳米颗粒在脉动热管当中产生蒸汽并形成推动脉动热管运行的气塞和液塞分布，降低从蒸发段到冷凝段的传热热阻，实现高效传热。.本项目通过自然基金的支持，对基于纳米颗粒的太阳能脉动热管进行了全面的理论和实验研究，分别采用一步法和两步法制备了不同种类的纳米流体并进行表征，得出了具有表面等离子体共振效应的金属纳米颗粒和本身具有较高吸收效率因子的碳基纳米颗粒适合于太阳能光热利用的结论；开展纳米流体直接吸收太阳能产生蒸汽的理论和实验研究，得出纳米颗粒的加入能够显著提升其蒸汽产生的速率和效率，随着浓度的升高蒸汽产生速率也逐渐提高；开展了基于纳米颗粒的太阳能脉动热管运行和传热特性的实验和优化研究，对比了纳米流体种类、浓度、充装量等对系统性能的影响，阐明了基于纳米流体的太阳能脉动热管的运行和传热机制，为太阳能热利用的新方案提供了可靠的理论保障。项目资助发表SCI论文8篇。培养博士生1名，硕士生1名。