颗粒团聚对太阳盐纳米流体导热性能的影响特性研究

【目的】纳米流体技术是提升太阳能光热电站熔盐储热材料导热性能的重要手段。然而实际熔盐基纳米流体中纳米粒子通常会自发聚集并沉降,进而显著影响储能介质的热导率。为了深入探究熔盐基纳米流体热物性的调控规律,在太阳盐相变介质中分别构建了具有不同分散形态的二氧化硅纳米颗粒。【方法】基于分子动力学和格子玻尔兹曼方法,重点探讨了体系温度、纳米颗粒的质量分数以及聚集体微观形貌对太阳盐-二氧化硅纳米流体热导率的影响特性。【结果】添加纳米颗粒能有效提升基液的导热性能。相较于均匀分散的纳米流体,聚集型纳米流体的热导率更高,并且随着团聚颗粒分形维数的增加而降低。此外,纳米流体的热导率与温度、团聚尺寸呈负相关,而与纳米粒子的质量分数、聚集体主链的粒子数量以及其团聚程度呈正相关。【结论】研究成果揭示了纳米颗粒聚集对相变材料内热输运的作用机制,并为熔盐基纳米流体热物性的设计提供了参考。

二元氯化物熔盐纳米流体在方腔内熔化过程的数值模拟

在熔盐中添加微纳颗粒形成纳米流体是一种强化熔盐储热材料热物性的有效方法。本工作利用Fluent软件对二元氯化物熔盐(52NaCl-48CaCl_(2),摩尔分数)及其掺杂Mg的纳米流体在二维正方形腔体内的熔化过程进行了数值模拟,分析了熔盐在方腔内的熔化过程以及纳米颗粒的掺杂对腔体内熔盐熔化过程的影响。结果表明,在熔盐及其纳米流体的整个熔化过程中,主要传热形式经历热传导-自然对流-热传导三个阶段。纳米颗粒的掺杂增加了熔盐的传热速率,缩短了熔盐熔化过程所用的时间。与纯二元氯化物熔盐相比,掺杂1%(质量分数)和2%Mg的熔盐纳米流体的熔化时间分别缩短了11.34%和19.92%,固液转变时间分别缩短了33.3%和43.0%。

添加纳米SiO_(2)熔盐传热储热稳定性能研究

纳米熔盐具有优异的传热储热性能,但作为储热传热工质,要经历无数次储热/放热循环过程,因此纳米熔盐储/放热循环的稳定性非常重要。采用高温熔融法制备了不同配比的纳米熔盐,并利用自行设计的储热材料储/放热性能测试实验台进行冷热循环稳定性试验,间隔取出被测样品,采用差示扫描量热法和激光闪射法对其熔点、潜热、热重、比热和热导率进行试验测试,得到了该纳米熔盐储热材料在储/放热循环过程中的热物理性质随循环次数和成分配比的关系。分析发现添加质量分数1.0%的SiO_(2)纳米熔盐熔点更低,可操作的温度范围更广,储热系统所需的经济成本更小;添加质量分数0.5%SiO_(2)的纳米熔盐比热容与其他配比的纳米熔盐相比性能更优。

直接吸收式太阳能集热系统研究综述

对直接吸收式太阳能集热系统及其所用集热介质的研究现状进行了综述。用于直接吸收式太阳能集热系统的集热介质主要有黑色液体、气-固或液-固悬浮体系、熔盐及其三者的相互混合物。在直接吸收式太阳能集热系统中,由于集热介质既是吸热材料也是传热材料,因此,要求集热介质应具有吸收率高、稳定性好、热导率高、与容器相容性好等性能,但是目前传统的集热介质都存在较多的不足,难以推广应用。提出了使用纳米流体作为新一代直接吸收式太阳能集热介质,并对其进行了初步实验,得到了较好的效果。

纳米SiO_2在低熔点熔盐中的分散对其比热容的影响

为提高低熔点熔盐Ca(NO3 )2 鄄KNO3 鄄NaNO3 鄄LiNO3 的比热容,采用超声振荡法将低熔点熔盐与30 nm 的SiO2 纳米粒子复合制备出低熔点熔盐纳米流体,研究了纳米粒子对低熔点盐比热容的影响及制备过程中影响纳米粒子分散的关键因素:超声振荡时间和超声振荡频率. 采用同步热分析仪(DSC)测量熔盐比热容;采用扫描电镜表征低熔点熔盐纳米流体的微观表面结构,观察纳米粒子分布情况. 研究结果表明:分散均匀的SiO2 纳米粒子可以提高低熔点盐纳米流体的比热容,纳米熔盐比热容平均值达到1郾86 J/ (g·K)左右,在200 ~ 350 益温度范围内,比热容提高率为14% ~22%,并通过实验验证了超声波分散法是制备熔盐纳米流体的一种稳定可靠的方法.

制备方法对纳米熔盐储热性能及形成机理的影响

纳米材料能够改善高温熔盐的传热储热性能,提升大规模储热系统的储热和热交换效率,但目前仍未找到纳米熔盐的高效大规模制备方法。为优选纳米熔盐的高效大规模制备方法,以二元混合盐为基盐,采用高温熔融法和水溶液法分别制备纳米熔盐,用差示扫描量热法、热重分析法和微观形貌分析法,研究制备方法对纳米熔盐显热和储热性能提升、微观结构的影响,探索纳米熔盐形成机理。结果表明,两种制备方法均在搅拌90 min时制备的纳米熔盐性能达到最优,且高温熔融法制备纳米熔盐的熔化潜热和比热容分别比水溶液法高2.6%和28.18%;两种方法制备纳米熔盐的熔点较小,但对纳米熔盐的微观形貌存在明显影响,云核的形成与结构影响着纳米熔盐的储热性能。相比水溶液法,高温熔融法工艺简单,过程能耗低,纳米熔盐储热性能更好,适用于纳米熔盐的大规模生产和工程应用。

纳米颗粒对二元硝酸盐表面张力和密度的影响

为准确计算纳米熔盐的传热储热能力,利用高温熔融法将SiO_(2)纳米颗粒分散至二元硝酸盐(60%NaNO_(3)-40%KNO_(3))中,制备了5种不同含量SiO_(2)纳米颗粒的纳米熔盐复合材料。基于阿基米德法测量液体密度和拉筒法测量液体表面张力的原理改进实验装置,搭建高温熔盐密度、表面张力实验台。实验对制备的5种纳米熔盐的表面张力和密度进行实验测量,并对实验数据进行拟合,得到5种纳米熔盐密度和表面张力随温度的变化关系,拟合得到纳米熔盐密度和表面张力与温度之间的实验关联式。结果表明,基盐及5种纳米熔盐的密度均随温度的升高而下降,且加入SiO2纳米颗粒后,熔融盐的密度变化不明显。基盐及5种纳米熔盐的表面张力也随温度的升高而下降,且加入SiO2纳米颗粒后,熔融盐的表面张力值均有所增加。提出纳米熔盐形成机理,并对纳米熔盐密度和表面张力改变的原因进行解释。

熔盐基纳米流体管内流动换热特性模拟

为研究Al2O3-HITEC熔盐基纳米流体在恒热流加热管内流动换热特性,采用计算流体力学的研究方法,利用单相流热扩散模型进行了数值模拟。分析了不同质量分数的纳米颗粒对熔盐换热性能的影响,并从流体热物性的角度探讨了换热性能改变的原因。对比结果说明热扩散模型可以用于模拟熔盐基纳米流体管内流动换热。模拟结果表明:与纯熔盐管内温度分布相比,采用纳米流体降低了管内温度,且质量分数为0.063%时温度降低最明显;4个截面处的温度分布表明在壁面热流的作用下,熔盐和熔盐基纳米流体的温度沿径向升高,而熔盐基纳米流体的温度比纯熔盐低,说明纳米流体吸收和带走了更多的能量;与纯熔盐相比,熔盐基纳米流体的换热性能提高了,证明了添加纳米颗粒具有强化熔盐换热的效果,但强化效果并非随纳米颗粒的浓度增大而线性变化,而是0.063%(质量分数)的纳米流体换热强化程度最大,其在充分发展区换热系数比纯熔盐提高了6.5%。最后通过分析熔盐与熔盐基纳米流体物性变化,发现了比热容的剧烈变化是导致换热性能变化的主要原因。

纳米流体稳定性研究综述

为实现碳中和、碳达峰目标,需要提高能源转化效率。纳米流体作为一种高效传热工质,在最近20多年受到广泛关注。然而纳米流体稳定性差,在诸多领域的应用中受到限制。为提高纳米流体稳定性,实现大规模应用,通过对关于提高纳米流体稳定性的文献进行汇总分析,提出可通过调节纳米流体的pH值来控制其离子浓度达到合适的值;添加表面活性剂提高纳米颗粒间的排斥力;利用超声技术可以将纳米颗粒团簇分解;利用混合纳米颗粒之间的分子力可以改善纳米流体的稳定性。这些方法有助于解决纳米流体在长期应用时存在的稳定性低的问题。

硝酸熔盐纳米流体比热容提高的模拟与实验研究

熔盐和纳米颗粒复合的纳米流体是使太阳能热发电传储热系统高效储热的重要材料,探究纳米颗粒的加入导致熔盐比热容提高的原因,对于工程实践意义重大。实验中用差式扫描量热仪测试了熔盐中加入不同浓度的纳米颗粒后复合流体的比热容变化,随后以分子动力学模拟计算的方法探究比热容提高的原因。在模拟中固定熔盐不变而改变纳米颗粒的添加量,重点分析纳米颗粒添加量对熔盐比热容及熔盐结构、分布的影响。结果表明:纳米颗粒添加量在1.0%~1.5%(质量分数)时,比热容提高率最大;熔盐阴离子在纳米颗粒表面高密度聚集甚至在更小粒径(约1 nm)纳米颗粒表面规律性排布时产生的额外作用力是纳米流体比热容提高的主要原因。计算结果还证实,熔盐中纳米粒子分散程度高时,比热容提高更大。纳米颗粒的加入在一定程度上会降低熔盐中阴阳离子间的距离,使得库仑能发生变化,这是导致比热容提高的另一原因。

纳米熔盐传热储热分布均匀性研究

为研究纳米熔盐传热储热性能分布的均匀性,以二元硝酸盐为基盐、SiO2(30 nm)为纳米材料,采用高温熔融法制备纳米熔盐,在纳米熔盐不同位置处采集9个样品,对其传热储热性能进行表征。结果表明:样品SS6的比热最高,固态区比热比9个纳米熔盐样品的平均比热高11.69%,液态区比热比9个纳米熔盐样品的平均比热高12.62%;样品SS7的比热最低,固态区比热比9个纳米熔盐样品的平均比热低9.01%,液态区比热比9个纳米熔盐样品的平均比热低9.61%。样品SS6的熔化潜热最高,比9个纳米熔盐样品的平均熔化潜热高5.44%;样品SS7的熔化潜热最低,比9个纳米熔盐样品的平均熔化潜热低5.94%。样品SS6的导热系数最高,比9个纳米熔盐样品的平均导热系数高19.84%;样品SS1的导热系数最低,比9个纳米熔盐样品的平均导热系数低19.13%。不同位置搅拌强度的差异造成纳米熔盐中云核的尺寸、分布及聚集程度不同,是导致纳米熔盐传热储热性能存在较大不均匀性的原因。

熔盐纳米流体的研究进展

熔盐纳米流体是在熔融盐的基础上加入纳米颗粒所形成的一种传蓄热流体,能显著地增强熔融盐比热容及导热系数,降低熔融盐黏度,对于增大储热密度、降低蓄热成本具有重要的意义,因此成为了国内外研究新型中高温传蓄热介质的关注热点。为了对熔盐纳米流体的进一步研究提供方向。本文主要总结了近几年国内外对熔盐纳米流体的最新研究进展:包括熔盐纳米流体的制备方法、热物性及对流传热的研究;并提出了熔盐纳米流体未来需要解决的技术难题。

高温熔盐基纳米流体热物性的稳定性研究

利用纳米颗粒可显著强化高温熔融盐的储热和热输运性能,但在实际应用中,面临纳米颗粒团聚导致的强化作用衰减。采用两步法配制了质量分数为1%的SiO2-Solar Salt纳米流体,并设置长时间高温保温工况,以比热容衰减幅度和样品微观结构为评价标准,探究两步法制备样品的稳定性。实验结果表明,两步法所制备样品的比热容提升幅度较为明显,但其稳定性较差,经长期高温保温工况后,比热容提升幅度衰减较为明显,且微观形貌显示其中SiO2纳米颗粒含量大幅减少。为探究改善高温熔盐基纳米流体稳定性的方法,本工作从纳米流体制备方法和纳米颗粒选材角度入手进行研究。选取高温熔融法制备相同样品,实验结果表明,其比热容提升幅度与两步法所制备样品相差不大,但经长期高温保温工况后,比热容提升幅度的衰减小于两步法所制备样品,SiO2纳米颗粒含量也有所提升,稳定性得以初步改善。在采用高温熔融法的基础上进一步研究,添加少量Al2O3、TiO2或CuO,与SiO2形成混合纳米颗粒以制备纳米颗粒总量1%的样品,实验结果表明Al2O3-SiO2混合纳米流体经过100 h高温保温工况后,比热容提升幅度的衰减率已缩小至6.1%,稳定性得到进一步的提升,而TiO2-SiO2、CuO-SiO2混合纳米流体样品经过高温保温工况已完全失去比热容提升能力,稳定性恶化。研究结果对提高熔盐基纳米流体稳定性、增强其实用性具有重大意义。

用于高温蓄热介质的二氧化硅纳米颗粒/三元碳酸盐复合熔盐纳米流体的制备方法对比

熔盐作为一种高效的蓄热介质,其蓄热能力由比热容大小决定,添加纳米颗粒可以有效提高其比热容。本研究以三元碳酸盐(碳酸钾、碳酸锂、碳酸钠)为基盐,于超声振荡条件下将二氧化硅纳米颗粒分散在盐溶液中,通过三种不同结晶方法蒸发水分制得了二氧化硅纳米颗粒/三元碳酸盐复合熔盐纳米流体。对比三元碳酸盐与直接结晶法、搅拌结晶法和逐滴结晶法制备的熔盐复合纳米流体的热物性,获得了最佳结晶方法并探究了比热容提高机制。使用差示扫描量热仪、热分析仪和扫描电子显微镜分别测量和表征了样品的比热容、分解温度及表面微观结构。结果表明,逐滴结晶法是最佳的结晶方法,在450～470℃范围内,该法制备的复合熔盐纳米流体的比热容与基盐相比提高了40.59%～44.88%,分解温度高达806.90℃,是良好的高温蓄热介质。熔盐在纳米颗粒诱导下形成棒状纳米结构,比表面积和比表面能明显增大,从而使熔盐纳米流体的比热容显著提高。

硝基熔盐纳米流体在扭曲扁管内流动与换热特性

熔盐作为传热储热介质在太阳能光热发电系统中广泛应用,研究发现通过在熔盐中添加纳米粒子可以改善熔盐的热物性。本工作采用数值模拟方法,对熔盐纳米流体在不同结构扭曲扁管内的流动和换热特性进行了研究。研究结果表明,熔盐纳米流体在扭曲扁管内的对流换热系数和压降随着长短轴比的增加而增加,随着导程的增加而减小。在Re=10000~35000时,扭曲扁管内熔盐纳米流体的对流换热系数相比于圆管最高提升了34.6%,压降最大升高了141.3%,并拟合得到了扭曲扁管内熔盐纳米流体的努塞尔数Nu和阻力系数f的经验关联式。通过综合性能和场协同分析发现,在Re=30000时,长短轴比a/b=2,导程S=300 mm时,强化传热因子PEC最大为1.16,扭曲扁管长轴顶端的协同角最小。

高温熔融盐基纳米流体的研究现状及进展

熔融盐是目前高温储热领域应用的重要蓄热材料。强化熔融盐的热导率和比热容可以提高系统效率和安全系数,减少储热材料用量,进而降低储热系统成本。向熔融盐中添加少量纳米颗粒形成熔盐基纳米流体可以显著提升熔盐基液的热导率和比热容,是近年来高温储热领域的研究热点。通过对相关文献进行梳理和分析,具体阐述熔盐基纳米流体的制备方法,从实验研究、数值模拟研究、理论研究等不同维度,重点介绍纳米颗粒对基液热物性的强化效果、强化机理、经验预测模型及对机理的验证情况等问题。此外,简述纳米颗粒对基液黏度影响的研究现状。同时,重点探讨制约熔盐基纳米流体大规模应用的瓶颈—稳定性的研究现状。最后,基于研究现状进行分析,指出此项技术需要进一步研究和解决的问题,以期为熔盐基纳米流体的发展和实际应用提供有价值的借鉴和参考。

纳米颗粒添加对熔融盐传热特性的影响

熔融盐由于其蒸汽压力低、工作温度高、热稳定性良好等特点,在集中式太阳能热发电系统中作为传热和蓄热工质应用较多。但熔融盐热导率较低,导致发电系统效率降低、能耗增加,发电系统成本升高。向熔融盐中加入纳米颗粒形成熔盐基纳米流体是能够改善熔盐热物性,文章以添加SiO_(2)纳米颗粒的Hitec盐基纳米流体为研究对象,利用平衡分子动力学方法模拟计算热导率,从多角度分析以揭示物理机理。结果表明纳米颗粒质量分数为2%、4%和6%时,纳米流体热导率分别提高了5.75%、6.47%和0.05%。扩散系数结果表明,纳米颗粒添加不会强化基液微对流。分析径向分布函数发现,纳米颗粒添加导致了Na原子和NO_(3)^(-)中N原子间的配位数增加,粒子间作用力增强,引发纳米流体热导率提升。此外,随着温度升高,熔盐纳米流体热导率减小;颗粒质量分数/粒径变大,热导率出现非单调变化。

氯化物熔盐纳米流体热物性强化的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,对掺杂MgO纳米颗粒的NaCl熔盐纳米流体进行了模拟研究。通过对体系热导率、比热容、数密度分布和配位数的计算,研究了其热物性及传热机理。研究结果表明:在掺杂MgO纳米颗粒后,NaCl熔盐纳米流体的热导率和比热容均有一定幅度的提高。同时,对体系固液界面微结构进行分析,发现:NaCl熔盐在任意半径的MgO颗粒表面都能形成紧密有序的吸附层,这是引起熔盐传蓄热性能改善的重要原因之一。