U型吸收管对含两相非牛顿混合纳米流体的两流体抛物面太阳能集热器热工性能和效率的影响

  本研究旨在获得高效抛物型太阳能集热器的最佳几何形状。在本研究中，研究了纳米流体对单相和两相抛物面太阳能集热器的影响。本研究的最大的目的如下

  1)u形抛物面太阳能集热器中Fe3O4/CNT/H2O/CMC混合非牛顿纳米流体流动的两相模拟及与相同水力直径单道系统的比较

  本研究旨在获得抛物面太阳能集热器的最佳几何形状。为了模拟抛物型太阳能集热器，本文采用了一个中等太阳辐射吸收的样本城市的现有实验数据。该问题的几何结构首次由带偏心翅片吸收管的抛物型双流体太阳能集热器组成。图1说明了这样的一个问题的几何性质。

  图2显示了具有相同水力直径的单通道和双通道吸收管系统的含水单流体抛物面太阳能集热器的能量效率与雷诺数的关系。实际上，在单流体系统(水)的情况下，研究了单通道和双通道吸收管的效果。能够准确的看出，两种情况下，能效都是随着雷诺数的增加而增加的，所以最优雷诺数为5000，此时能效达到最大。由图可知，在任何雷诺数下，双通管的能量效率都大于单通管。显然，造成这样的一种情况的原因之一是u型系统中的流动长度较长。换句话说，在使用u型系统的情况下，管道直径(假设液压直径相同)减小，导致通过流内部热量的渗透增加，这是效率提高的原因。对于u形管的情况，由于管之间有叶片界面，从反射器接收的太阳能吸收增加。同样在双通道系统中，流速更高(在相同的雷诺数下)，导致从壁面到流动的传热速率增强。在直径较大的吸收管内，流体的热扩散明显减小。

  图2 具有相同水力直径的单通道和双通道吸收管系统的含水单流体抛物面太阳能集热器的能量效率与雷诺数的关系。

  图3为含纳米流体的双通管系统单流体和双流体抛物面太阳能集热器的能量效率与雷诺数关系图。实际上，该图用雷诺数表示了含纳米流体的单流体抛物型太阳能集热器、内管含纳米流体外管含水的抛物型太阳能集热器以及内外管均含纳米流体的抛物型太阳能集热器的能量效率变化，系统为双通道，纳米颗粒直径为20 nm。能够准确的看出，对于所有三种抛物面太阳能集热器系统，能量效率随着雷诺数的增加而增加。因此，在这种情况下，最优雷诺数为5000，此时能量效率最高。由图可知，在所有雷诺数下，能量效率从高到低分别对应于抛物面太阳能集热器吸收管和玻璃盖中含有纳米流体，抛物面太阳能集热器吸附剂管中含有纳米流体和玻璃盖中含有水，太阳能集热器中含有纳米流体。当雷诺数为5000时，含纳米流体的抛物型太阳能集热器的最大能量效率为56.5%，含纳米流体的太阳能集热器的最大能量效率为47.5%。

  图3 单流体和双流体抛物面太阳能集热器的能量效率与含纳米流体双通道吸收管系统雷诺数的关系。

  图4为含不同体积分数纳米流体(玻璃盖含基流体)的双通道吸收管系统，当纳米颗粒直径一定时，双流体抛物面太阳能集热器的能量效率与雷诺数的关系。该图展示了采用双流体太阳能集热器系统，其中双通道吸收管含有纳米流体(纳米颗粒直径为20 nm)，玻璃盖含有水，当内部流体的体积分数为1、2、3和4%时，能量效率随雷诺数的变化。事实上，这张图的目的是研究内部纳米流体体积分数的影响，而外部流体是水。能够准确的看出，对于不同的体积分数，能量效率总是随着雷诺数的增加而增加。因此，在这种情况下，最优雷诺数为5000，此时能量效率最高。由图可知，能量效率由高到低分别对应于4%、3%、2%、1%的体积分数。体积分数为4%和1%时，雷诺数为5000时，最大能量效率分别为54.8%和53.2%。

  图4当纳米颗粒直径一定时，含有不同体积分数的纳米流体(玻璃盖含有基流体)的双通道吸收管系统的双流体抛物面太阳能集热器的能量效率与雷诺数的关系。

  图5显示了含不同体积分数纳米流体的双通道吸收管系统的双流体抛物面太阳能集热器的能量效率与雷诺数的关系。事实上，该图显示了采用双流体抛物面太阳能集热器，采用含有纳米流体的双通道吸收管和含有纳米流体的玻璃盖的两流体抛物面太阳能集热器，其直径为20,30,40和50nm的纳米颗粒的能量效率与雷诺数的关系，纳米流体的体积分数恒定为4%。本实验旨在研究纳米颗粒直径对集热器能量效率的影响。能够准确的看出，对于不同的直径，能量效率总是随着雷诺数的增加而增加。由图可知，在所有雷诺数下，能量效率由高到低分别对应直径为50nm、40nm、30nm和20nm。当雷诺数为5000时，直径为50 nm和20 nm时的最大能量效率分别为65.1%和63.1%。能够准确的看出，当纳米颗粒体积分数为4%，直径为50 nm时，引入u型吸收管的双流体抛物面太阳能集热器作为最优模型，吸收管和玻璃罩中分别含有纳米流体。

  图5 双流体抛物面太阳能集热器的能量效率与双通道吸收管系统的雷诺数的关系，该系统含有不同体积分数的纳米流体，适用于不同直径的纳米颗粒。

  本文采用两相模拟的方法，研究了纳米流体对抛物面太阳能集热器的影响。考察了Re数(2500纳米颗粒直径(20以体积分数(1% 4%)为研究对象。采用控制体积法、SIMPLE算法、欧拉-欧拉法、标准k- p湍流模型和S2S法求解控制方程。本文的研究结果如下:

  •当采用u型系统时，减小了管道的直径(假设液压直径相同)，从而增加了通过流内部的热量扩散，这是效率提高的原因。对于u型管的情况，由于管之间有叶片界面，从反射器接收的太阳能吸收增加。

  •在相同的雷诺数下，双通道系统的流速更高。因此，从壁面到流动的传热速率增加了。

  •在直径较大的吸收管中，流体的热扩散减小。此外，双通道系统中180°弯头截面的存在会引起流动中的湍流和局部扰动，导致层流亚层破裂，系统中的换热率增加。

  •在单通情况下，由于吸收管的几何形状，接收到的辐射焦点仅在吸收管的下部，而在双路模式下，由于吸收管的特殊几何形状，接收到的辐射焦点集中在吸收管的整个下部和部分侧面。

  •引入了当纳米颗粒体积分数为4%、直径为50 nm时，吸收管和玻璃罩内分别含有纳米流体的u型吸收管双流体抛物面太阳能集热器作为最优模型。