纳米流体增强太阳能集热器换热性能研究.docx

纳米流体增强太阳能集热器换热性能研究 孙天硕 郭冬梅 余超 韦壮邦 杨双宇摘 要：本文旨在研究纳米流体在太阳能集热管中的换热特性以CNT和CeO2（Carbon Nanotubes）纳米流体为传热介质，采用数值模拟的方法进行分析建立太阳能真空管模型并进行网格划分，经过求解后通过后处理模块获取圆管内纳米流体的温度场分布等，分析了納米粒子质量分数，粒径，种类以及不同运行参数对太阳能集热器换热特性的影响模拟结果表明，在水中添加纳米粒子可使太阳能管的换热效果提升，提高换热效率且随着纳米粒子质量分数增加，太阳能管出口温度上升，换热的效率升高由于粒径小的纳米流体传热性能更好，相同条件下，换热效果优于含大粒径的纳米流体由于CNT本身具有更高的导热系数更小的密度，CNT纳米流体的换热效果优于CeO2纳米流体同时较低的入口流速以及较高的入口温度均有利于提高换热效率关键词：太阳能;集热器;纳米流体;传热;强化1 引言随着当今世界经济的快速发展，工业水平化加深，人们对能源的需求与日俱增，能源成为限制经济工业发展的瓶颈，传统的能源供应储量有限而且趋于枯竭，其开采及使用带来了严重的环境污染问题太阳能储量巨大、清洁无污染、分布广泛、有着巨大的发展前景及广泛的使用范围，但是其能流密度低的特点限制了太阳能的利用[1]。

因此，如何强化太阳能的集热性能成为学界的研究热点随着近些年来，纳米流体技术的发展和使用，将纳米流体应用到太阳能集热上成为解决该难题的新思路1995年，Choi首次提出了纳米流体的概念[2]，纳米流体是指将纳米粒子按照一定的方法和比例添加到液体中形成的悬浮液，纳米流体是液-固两相悬浮液，悬浮于液体中的纳米粒子会发生随机的布朗运动，促进悬浮液内部的微扰动，所以纳米流体导热特性优于传统工质[3-4]经过这些年的不断发展，纳米流体在内燃机的散热，喷雾冷却工质，石油采收等强化换热领域中有广泛应用[5-7]，同时纳米流体技术的发展也开启了太阳能集热研究的新方向何钦波等[8]对比研究不同的纳米流体对光的透射率，经实验证明纳米流体对光的吸收性能优于基液，且随着纳米流体粒径和质量分数的增大，透射率降低李强，宣益民[9]通过实验证明纳米粒子的体积份额会影响纳米流体对流换热系数李天宇[10]通过数值模拟研究了石墨烯-乙醇纳米流体的对流换热特性和沸腾换热特性结果表明，随着石墨烯的体积分数增加，对流换热系数和沸腾换热性能增加，但纳米流体体积分数进一步增加会导致沸腾换热性能恶化毛凌波等[11，12]测量碳包铜米流体的在太阳辐射全波段内的透射率，并进行闷晒实验。

结果显示，纳米流体的光谱吸收性能和光热转换性能明显高于基液随后，将碳包铜纳米流体用于太阳能集热器，并测试其热性能，测试结果表示，碳包铜纳米流体集热器瞬时集热效率大为提高赵聪颖等[13]以水为基液制备了SiO2-水纳米流体，使用质量分数为1%～5%的纳米流体作为太阳能集热器的工质进行传热性能研究结果表明，以纳米流体为工质的集热器导热系数明显大于蒸馏水为工质的集热器，纳米流体质量分数增加，导热系数随之增加以上研究表明，与纯液体相比，纳米流体导热系数高，换热系数好，对光的吸收性能优异，可以作为太阳能集热器的集热工质因此，本文在原有试验和研究的基础上，采用数值模拟的方法讨论CNT或CeO2纳米粒子作为传热工质时，间接吸收式太阳能真空管集热器的吸热性能利用ICEM CFD软件建立太阳能真空管模型并进行网格划分，采用Fluent软件进行求解，并通过后处理模块获取温度场分布，研究质量分数、纳米粒子粒径、种类，和入口流速等运行参数对太阳能管换热性能的影响2 选用材料及物性计算以水为基液，选用CNT和CeO2为纳米粒子制备纳米流体作为换热器工作介质表1列出了水的物性参数选用CNT和CeO2作为纳米粒子添加剂，其常见粒径为20nm和50nm，质量分数设置为0.5%，1%和2%。

其主要理化性质如表2所示数值模拟过程需要用到纳米流体的物性参数，这其中包括纳米流体密度、导热系数、比热容和对流换热系数等选用满足该数值模拟条件和需要条件的公式可以保证模拟结果的准确性相关的计算公式如下：纳米流体中颗粒的体积分数计算公式为：式中，Φv表示纳米流体中颗粒的体积分数;Φm表示纳米流体中颗粒的质量分数;ρ为密度;下标f和p分别代表基液和纳米粒子纳米流体密度理论计算公式：式中，Vf为基液的体积;Vp为纳米粒子的体积比定压热容采用PUTR A[14]的计算公式：式中，Cp，nf为纳米流体比定压热容，Cp，p为纳米颗粒比定压热容，Cp，f为混合工质基液比定压热容，单位均为J/（kgK）Yu和Choi[15]通过对Maxwell模型提出下面导热系数的公式：式中，β为纳米层厚度与粒子半径的比值，计算时通常取β=0.1;knf为纳米流体导热系数;kp和kf分别是固体粒子和液体的导热系数纳米流体的对流换热系数计算公式为：式中，对流换热的单位为W/（m2K）;f为纳米流体体积流量，单位为m3/s;A为太阳能真空管内表面积，单位m2;L为太阳能真空管长度，d为圆管内径，单位为m;Ta为纳米流体平均温度;Tw为管壁面平均温度;Tw1、Tw2为测量得到的管道壁温度。

本文中所设定的集热器为间接吸收式玻璃太阳能真空管集热器，其吸收元件为全玻璃真空集热管，制造材料为双层高硼硅玻璃，内玻璃管外表面涂有光谱选择性吸收涂层太阳能真空管相关参数如表3所示3 模拟方法3.1 基本控制方程及方法流体的运动都要遵守三个最基本的定律，由三大定律可得出三大流体力学基本方程，再加上边界条件，运用一些经验公式，由这些条件基本上就能解决流体力学的问题三大流体力学基本方程分别为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程以下为这些方程的表达式：质量守恒方程，也被称作连续性方程，其表达式如下：式中，vx，vy，vz分别为x，y，z方向上的速度矢量;ρ为密度;x，y，z为总体笛卡尔坐标;t为时间广义动量方程表达式如下：式中，gx，gy，gz为重力产生的加速度分量;为有效粘度;Rx，Ry，Rz为不同坐标上的阻力;Tx，Ty，Tz为不同坐标方向上的粘性损失项能量守恒方程，即热力学第一定律，其表达式如下：其中散度表达式又可展开为下式：式中，Cp为流体的定压比热容;k为流体的传热系数;ST为流体的内热源和粘性损失项本次模拟使用了ICEM软件来创建和划分模型网格，并且利用FLUENT软件进行求解。

由于标准k-epsilon模型方程在工程中被普遍采用，并且符合本次模擬的条件，其计算精度能够满足要求，所以模拟将采用标准k-epsilon湍流模型来模拟集热器中的流动情况首先在FLUENT软件中设置材料命名，并设置好纳米颗粒的物性参数之后再进行定义工作条件和工作条件等一系列操作后，输出求解的结果3.2 物理模型及网格划分本文研究的太阳能集热器如图1所示该集热器由太阳能真空管、聚光板、后续换热装置以及支承机构和连结管路组成太阳能真空管吸收来自太阳光的辐射能，为真空管内工质提供热量太阳能真空管根据不同季节的太阳高度与水平面成一定夹角，上端为入口，下端为出口，温度较低的工质经入口进入太阳能真空管内腔与管壁进行热交换，温度上升后流出，与后续换热装置进行热交换后温度降低，再次进入真空管，完成循环温度聚光板的截面为抛物线形，可将太阳光反射到真空管下表面进行数值模拟时，由于各管道物性参数和运行参数相同，可选择一根太阳能真空管进行分析，这样既能够保证的结果的可靠性，又可以简化计算，避免由其他因素造成的误差此外，需要对实际模型和工况进行适当的理想化处理，包括：圆管壁面均匀受热;忽略重力对纳米粒子分布的影响等。

利用ICEM CFD软件对太阳能真空管进行建模，并运用结构性网格划分圆管壁面和管内工质，如图2所示3.3 边界条件与参数设计材料的物性参数需根据公式计算得到根据表1和表2所列基液和纳米颗粒物性参数以及式（2）-式（4）分别求出纳米流体密度、比热容和导热系数经过与已有文献进行比较，可确定公式计算的相对准确性设置速度进口和压力出口本文研究不同入口参数下纳米流体对流换热性能，设定入口流速分别为0.15m/s和0.3m/s，入口温度分别为293K、313K和333K太阳能真空管出口与后续换热装置相连，表压为5000Pa，湍流强度为2%设置壁面边界条件选择对流换热工况，根据式（5）确定对流换热系数设定自由流温度为330K为保证收敛，设置计算残差为10-6，迭代步数为10000步，初始化后进行求解4 结果与分析4.1 纳米粒子质量分数的影响纳米流体中所添加纳米粒子的质量分数会影响太阳能的集热和换热效果经模拟计算得到的纳米粒子对太阳能管出口温度的影响如图3所示，在不加入纳米粒子时，太阳能管出口温度为328.9K，加入质量分数为0.5%、1%、2%的20nmCeO2和CNT粒子后，太阳能出口温度分别增长了0.94%、1.79%、2.52%和1.61%、2.64%、3.31%。

在本文研究范围内，随着纳米粒子质量分数的增加，太阳能管出口温度也随之增高，说明随着纳米粒子质量分数的提高，太阳能管集热和换热的效率随之升高这可能是由于纳米粒子的加入使基液的导热系数增加[16]由于加入了导热性好的固体纳米粒子，纳米粒子均匀分布在流体中，改变了原有的液体结构在布朗力的作用下，纳米粒子在流体中做无规则运动，增强了固体颗粒与流体之间的能量交换进而增强了流体的导热性能随着纳米粒子质量分数的增加，单位体积的纳米燃油中所含纳米粒子数目增加，纳米粒子之间热运动的距离减小，纳米粒子之间发生碰撞的频率增加，微对流现象加剧，能量传递的频率和强度加大，因此纳米流体的导热系数进一步增加，促进了太阳能真空管的换热4.2 纳米粒子粒径的影响另外，纳米粒子粒径也是影响太阳能管换热效率的重要因素图4是20nm和50nm粒径CeO2纳米流体的太阳能管出口温度对比在加入0.5%、1%、2%质量分数的CeO2时，粒径为20nm的CeO2纳米流体太阳能管出口温度分别高于50nmCeO2纳米流体0.33%、0.61%、0.64%相同的质量分数情况下，纳米粒子粒径越小，太阳能管出口温度越高这是因为一方面粒径减小代表着单位体积中纳米粒子数目增多，使在流体内部各粒子排列更紧密，缩短纳米粒子之间热运动的距离，加强了粒子之间的引力与斥力、粒子与液体之间的摩擦力、剪切力等相互作用[17]，流体中的布朗运动激烈程度增加，内部能量传递的速率加快;另一方面可能存在纳米粒子的粒径减小使粒子之间聚集的团聚体平均体积减小、与流体接触的总表面积变大，同时团聚体尺寸越小，其在流体中形成的阻力变小导致流体黏度越低[18]，管壁与纳米流体之间换热效率增加，出口温度升高。

4.3 纳米粒子种类的影响图5是相同质量分数下的粒径为20nm的CeO2和CNT纳米流体换热效果的比较如图5所示，加入20nmCNT纳米粒子使出口温度增加了10.9K，增幅3.31%，高出CeO2纳米流体0.79%;同样地，50nmCNT纳米流体的出口温度比50nmCeO2高出0.89%图5是不同质量分数条件下CNT和CeO2的对流换热系数如图6所示，同一质量分数下的CNT纳米流体的对流换热系数均高于CeO2造成这两种纳米流体传热性能的差异可能主要在于纳米粒子物性方面的不同相较于CeO2，CNT本身具有更高的导热系数[19]，同时由于CNT的密度较低，在同等质量分数、相同粒子粒径条件下流体中CNT纳米粒子数目更多，这些都有利于能量在粒子之间的传递速率，加强了太阳能管的集热效果，使加入CNT纳米流体的出口温度高于CeO24.4 不同運行参数的影响除纳米粒子的质量分数、粒径、种类之外，太阳。