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熔盐纳米流体的研究进展

2021-04-27 14:53:05  阅读:286  来源: 互联网

标签:纳米 熔盐 研究 流体 熔融 颗粒 研究进展


熔盐以其低熔点、低成本、换热温差大、热稳定性好等优点作为太阳能热发电、工业化工处理、余热利用等方面的中高温传蓄热介质已经在一些领域得到广泛应用,受到了工程领域和科研工作者们的高度重视。

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。

重点内容导读

一、 熔盐纳米流体的制备

如何制备出分散性好、稳定性高的熔盐纳米流体是实验研究纳米流体热物性及强化传热性能的前提和基础。目前,熔盐纳米流体的制备方法可分为两种:两步水溶液法和高温熔融法。两步水溶液法的研究如文中北京工业大学张璐迪、Schuller等;高温熔融法的研究如北京工业大学张璐迪、Chieruzzi M等。研究发现两步水溶液法制备的熔盐纳米流体分散均匀,但是热稳定性较差,无法承受长时间高温条件。高温熔融法制备的熔盐纳米流体热稳定性好,能够长期在高温条件下稳定使用且比热和质量几乎没有什么变化。

二、 熔盐纳米流体比热的研究

比热容是熔盐纳米流体一项重要的热物性参数,对于增强系统蓄热能力和传热效率、提高热交换系统的稳定性、降低传热蓄热成本起到关键性作用。许多实验研究和数值模拟对熔盐纳米流体的比热容及其增加所涉及的机理进行了研究。基盐通常是碳酸盐、氯化盐或硝酸盐,其分散的纳米颗粒有石墨、多壁碳纳米管(MCNT)、C60、Au、Al2O3、CuO、TiO2、SiO2或SiO2-Al2O3混合物。

对熔盐纳米流体比热的研究,研究发现纳米颗粒在一定程度上均提高了熔融盐的比热,如文中Schuller等、Chieruzzi等和北京工业大学张璐迪、李英等人对硝酸盐的纳米流体的研究,以及北京工业大学桑丽霞课题组、Shin等、和Hu等人对碳酸盐纳米流体的研究。然而一些学者的研究却得到了相反的结论。如文中Lu等对碳酸盐纳米流体和Chieruzzi等对硝酸盐纳米流体的研究。

对于熔盐纳米流体比热增强机制的研究,一些学者提出了不同的解释。如文中的北京工业大学吴玉庭课题组分别在四元、二元混合硝酸盐纳米流体;北京工业大学桑丽霞课题组研究的三元碳酸盐纳米流体的比热容。通过从SEM图像中观察到的针状纳米结构,均认为纳米熔盐表面存在密集的不规则条状、网状、针状的纳米结构具有较大的比表面积和比表面能,这是提高熔盐纳米流体比热的主要机制。Shin等人对碳酸基盐SiO2纳米复合材料进行了一系列研究。他们提出了三种模型来解释增强:(1)纳米颗粒的微尺度效应。二氧化硅纳米颗粒比块状材料比热高;(2)纳米颗粒和周围液体分子之间的界面热阻;(3)由纳米颗粒周围的液体分子形成的半固体层。除了三种模型之外,观察发现纳米粒子大小从5nm到60nm变化的四种纳米材料,如图1,2所示,显示非常相似的比热容增强(25%),得出比热提高与纳米颗粒尺寸无关。材料特性分析表明,当纳米颗粒分散在熔融盐共晶中时,熔融盐分子可以在纳米颗粒的表面上形成半固体层。由于熔融盐共晶体是两种熔融盐(Li2CO3和K2CO3)的混合物,所以由于热泳效应,应该具有纳米颗粒表面上的混合物的浓度梯度。这可能导致层叠中的混合物的摩尔组成不同,并且可能引起层的进一步生长成为针状结构。在图中这些针状结构具有非常大的比表面积,如纳米颗粒。与熔融盐共晶体相比,表面能对有效比热容的影响也可能很大,因此有助于提高纳米材料的比热容。

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图1 纯熔融盐混合物和纳米颗粒粒径分别是5、10、30、60nm纳米复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图

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图2 纯共晶盐和纳米材料(5nm、10nm、30nm和60nm)在整个温度范围(150-550℃)下的比热容与温度的变化

2017年Hu等用差示扫描量热法测量和分子动力学模拟,分析了不同浓度对纳米流体比热的影响。使用SEM观察具有不同浓度的纳米盐。基盐的表面相对光滑,几乎没有特殊结构。随着纳米颗粒的添加,出现了一些点状和粗糙的微观结构。添加更多的纳米颗粒增加了这些微结构的数量,并且减小了结构尺寸,这种微观结构导致表面积的增加。由Kapitza热阻可知,液相和固相之间状态的振动密度不匹配,将存在界面热阻。随着表面积的增加,总界面热阻将显著增加,这将提供额外的热存储以提高比热容。通过分子动力学模拟分析纳米颗粒对每种原子类型能量成分的影响。结果表明,每原子库仑能量的变化贡献了增强比热的最大部分。此外,简单混合模型未能预测熔融盐基纳米流体的比热容。

三、 熔盐纳米流体的导热和粘度

导热系数是反映介质传热能力的主要参数,导热系数的测量是熔盐纳米流体热传导性能的主要研究内容。如文中Madathil P K等研究发现在添加最佳量的纳米粒子之后,观察到纳米流体的导热率均增强,纳米流体的导热特性的确切机理尚不清楚。Shin和Banerjee用SEM观察纳米复合材料,发现纳米复合材料中有致密的渗滤网(互连子结构),在未掺杂(纯)材料中未观察到这种亚结构。并提出了形成密度相位较高的渗滤网络是纳米颗粒增强纳米复合材料热性能的原因。

粘度是反映流体流动阻力大小的一种流体性质,也是混合熔盐的一项重要基本参数。在对流换热过程中,熔盐的粘度影响熔盐流体的速度分布,同时也影响特征数方程中雷诺数和普朗特数的大小。如文中北京工业大学张璐迪、李英等研究发现熔盐纳米流体的粘度随温度的升高呈降低的趋势,并拟合了较好的新型纳米融盐粘度测量值与温度的多项式。

四、 熔盐纳米流体对流传热的研究

以上研究表明了熔盐纳米流体可以显著提高传统传热介质的比热、导热系数和粘度。但是,要将熔盐纳米流体成功地应用于工业实际当中,研究其在流动状态下的传热性能是非常必要的。之前的学者主要针对熔盐的对流传热性能进行了研究。最近,Ming 和Pan 研究了圆管内熔融纳米HITEC流体中纳米颗粒浓度对传热性能的影响。研究表明,在熔融HITEC盐中添加Al2O3纳米粒子浓度从0.016%增加到0.25%,平均努塞尔数提高6.9%~11.6%。添加Al2O3纳米颗粒的所有熔融纳米HITEC流体均表现出对平均努塞尔数的正增强,如图3所示。

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图3  纳米颗粒浓度对平均努塞尔数Num和测试管段无量纲长度x*L之间的影响

基于纯HITEC流体和纳米HITEC流体的实验数据,发现了关于平均Nusselt数的新的关联式,在55<Re<290和4.8<Pr<9.4范围内有:

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(1)

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研究发现新的关联式可以预测93.9%的实验数据,精度为±10%。


结  论

         熔盐纳米流体是近几年国内外的研究热点。本文对国内外学者在熔盐纳米流体的制备、热物性及流动传热的研究方面进行了总结。得出以下结论:

(1)熔盐纳米流体的制备方法有高温熔融法和两步水溶液法。两步水溶液法制备的熔盐纳米流体分散均匀,但是热稳定性较差,无法承受长时间高温条件。高温熔融法制备的熔盐纳米流体热稳定性好,能够长期在高温条件下稳定使用且比热容和质量几乎没有什么变化。但两种方法的研究却只是基于实验室的少量纳米流体制备,能否用于工程中的大批量制造,还有待进行进一步研究。

(2)混合碳酸、硝酸熔融盐中添加SiO2、Al2O3纳米颗粒能提高熔融盐比热容20%左右,并且能够提高熔融盐导热系数,降低熔融盐黏度,在提高熔盐蓄热密度、降低蓄热成本方面具有独特的优势。

(3)现有的经典混合流体热物性模型无法预测熔盐纳米流体的比热容和热导率,有必要对熔盐纳米流体热物性预测方法进行深入研究。

(4)国内外学者通过SEM扫描电镜和分子动力学模拟,对添加纳米粒子提高熔融盐比热容的物理机制进行了理论探索。给出了三种解释,但尚未形成一致公认的结论,还有待于进一步的系统研究。

(5)国内外学者对混合熔盐的对流传热进行系统的数值模拟和实验研究,获得了一些通用关联式。但在熔盐纳米流体对流传热方面研究较少,只有台湾MING和PAN进行初步的试验研究,有必要进行系统的深入研究。

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