纳米流体在分离型热管槽式太阳能集热系统中对流传热特性研究

摘要

太阳能热管自然循环系统以其高效低换热温差、结构简单、无需泵功等特点，为太阳能中高温集热系统提供了一种新的方向。传统换热工质，如水、导热油、熔岩的导热系数较低，使得提高太阳能热发电系统的热效率受到了严重限制。寻找和开发一种高导热性的换热工质变得十分具有吸引力，而纳米流体不失为一种理想的新选择。本课题即将纳米流体和热管两种技术相结合，提出了一种新型的分离型热管自然循环太阳能中高温集热系统装置。
　　在课题组现有的研究基础上，本文对分离型热管自然循环槽式太阳能中高温集热系统模拟实验台进行了设计计算，同时采用两种不同的计算模型(均相模型和分相模型)对系统的流动阻力进行了理论分析，为自然循环集热系统的建立和流动阻力的研究提供了理论基础。
　　在此基础上，本文重点对0.5MPa饱和态Al2O3纳米流体在集热管内的混合对流换热特征进行了等比例尺度的数值计算。主要对等入口流速、等Re数和等Pe数三种条件下纳米流体管内混合对流传热特性随其浓度变化的规律进行了研究，还对入口流速和热流密度对管内混合对流传热特性的影响以及纳米流体强化(弱化)对流传热的机理进行了初步探讨。研究结果表明，在等流速、等Re数和等Pe数三种工况条件下，随着纳米流体浓度的增加，纳米流体对管内混合对流传热表现出一定的弱化效果。
　　纳米流体导热系数和粘度增大的最终结果表现为弱化管内自然对流的现象。在低流速条件下，自然对流效果明显，管内表现出混合对流现象，自然对流强化了管内的对流传热，但由于纳米流体弱化自然对流，因此最终表现出弱化对流传热的结果。随着流速的增大，自然对流逐渐减弱，管内主要为强制对流传热，由于自然对流的效果是在近壁面形成向下二次流，这种二次流会在近壁面形成一个相对静止的区域，致使导热边界层变厚，引起传热恶化，然而，纳米流体的加入削弱了这种恶化效果，所以最终表现出强化对流传热的结果。
　　另外，本文还对不同热流密度对管内混合对流传热的影响进行了比较。研究结果表明，热流密度对管内对流传热产生的影响很小。