混合纳米流体和紊流剂对提高抛物槽太阳能集热器效率的影响

  紊流和纳米流体同时作为工作流体是改善抛物型太阳能集热器热性能的有效策略。本文采用三维数值模拟的方法研究了紊流器的使用和混合纳米粒子的加入对抛物槽集热器传热速率和熵产的影响。

  本文采用了一种新型紊流器，研究了紊流器类型对PTC吸收管内传热和熵产的影响。为此，除紊流器类型外，还研究了雷诺数对传热系数、压降、熵产、泵浦功率等重要参数的影响。本工作的创新之处包括研究了使用不相同的锥形环紊流器和采用体积分数为3%氧化铝和1%铜的Al2O3-Cu /水混合纳米流体作为工作流体的新型锥形斜齿环对线性PTC热性能的影响。此外，还研究了不同模式下的熵产、粘滞损失、总熵和贝让数。

  本文对线性抛物槽式集热器的流动特性和传热特性进行了三维数值研究。图1显示了线性PTC的原理图。该装置包含反射器、吸收管和玻璃罩。玻璃罩和吸收管之间的空间被抽真空以减少热损失。本文考虑了两种提高传热速率的策略:1 .在吸收管中加入混合纳米颗粒;2 .在吸收管内使用不相同的湍流器。

  图2和图3分别显示了所使用的扰流器的类型以及如何将扰流器放置在吸收管内。紊流的数量为9。图4为锥形斜齿环紊流器的示意图。表2还显示了所用湍流器的几何特性。根据Akbarzadeh和Valipour的实验研究，考虑雷诺数范围为5150 ~ 9364，流体入口温度为298.15 K。吸收管直径为25mm，长度为1.83 m。

  图2紊流器在本研究中使用。a)情形1 b)情形2，图3吸收管内紊流器的布置

  为图4显示了摩擦系数随雷诺数的变化。在所有情况下，随着雷诺数的增加，摩擦系数减小。此外，在吸收管中插入紊流器会增加摩擦系数。摩擦系数的最大值为0.6与情形2有关。情况1与情况2的比较表明，由于紊流器上的扭转齿，传热系数和摩擦系数增加。流体在通过扭转齿时具有旋转速度分量。由此产生的旋转流动导致靠近壁面和中心区域的流体混合。此外，紊流器增加了壁面附近的流体速度(图5)，导致热边界层消失。

  图6a和图6c分别为不同紊流的粘性熵和热熵生成的雷诺数曲线图。随着雷诺数的增加，热熵产减小，粘熵产增大。在一定雷诺数下，在管内插入紊流器减少了热熵的产生，增加了粘性熵的产生。最低的热熵产和最高的粘熵产与情形2有关。与空管相比，热熵生成量降低了33.4%。考虑到热熵相对于粘熵的显著性，总熵产变化(图b)与热熵产变化相似。与空管相比，情形2的熵产减少幅度最大，最大减少了总熵产的32.8%。紊流表面的齿减少了热熵的产生，增加了粘熵的产生。因为牙齿的存在能形成旋流，这有助于改善流体的混合;因此，流体的温度在径向上变得更均匀，这减少了热熵的产生。此外，齿的存在增加了流体与齿壁的接触面，增加了剪切层厚度，从而增加了粘性熵的产生。

  图6不一样的情况下，热熵生成随雷诺数的变化而变化，在不一样的情况下，总热熵生成随雷诺数变化，不一样的情况下黏性熵生成的雷诺数变化，不一样的情况下贝让数和雷诺数的变化。

  图6d为不一样的情况下的无因次贝让数。能够准确的看出，在所有情况下，热熵的产生是主要的。随着雷诺数的增大，贝让数的值减小。在管内插入紊流器增加了粘性熵产生的份额。图7诺数为5150时中间紊流器周围的热熵生成和粘性熵生成轮廓。

  由于施加在管壁上的通量分布不均匀。通过插入紊流器，壁面附近的热熵生成量减小。此外，紊流器表面的扭转齿进一步减少了热熵的产生。而在齿附近，黏度熵的产生飞速增加。将齿放置在紊流器的表面会导致旋流和更好的流体混合。减小了径向的温度梯度，减小了流动的横截面积。因此，在热熵产生最大的紊流器表面附近，流动会局部增加。因此，它可以轻松又有效地减少热熵的产生。

  本文研究了紊流状态下锥形紊流器对PTC吸收管内传热和熵产的影响。雷诺数在5150和9364之间变化。根据结果得出:紊流器的插入使泵的换热系数提高了57.3%，泵的消耗功率提高了57.3%。