徐國英 陳 彩 張小松 陳 偉

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

?

聚光條件下納米流體非均勻集熱特性分析

徐國英 陳 彩 張小松 陳 偉

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

研究了一種采用納米流體直接吸收太陽輻射的聚光型中溫集熱器．建立了納米流體集熱過程能量傳遞和聚光器輻射熱流分布的數(shù)學模型,測試了添加不同質量分數(shù)納米顆粒的CuO-導熱油納米流體的吸光系數(shù),進而對非均勻聚光條件下納米流體直接吸收式集熱器(NDASC)特性進行了CFD模擬．分析了40～150 ℃范圍內不同納米顆粒質量分數(shù)對NDASC管內溫度分布和集熱效率的影響規(guī)律．結果表明:NDASC集熱管周向溫差明顯低于傳統(tǒng)間接吸收式集熱器,但隨著納米顆粒質量分數(shù)的提高,納米流體吸光系數(shù)增大,管內溫度分布的不均勻性加劇;集熱效率則隨納米顆粒質量分數(shù)的增大呈現(xiàn)先升后降的趨勢,得出了集熱性能最佳的納米顆粒質量分數(shù)范圍．

納米流體;太陽能集熱器;聚光;集熱效率;溫度分布

納米流體是將納米顆粒分散于基液中而形成一種穩(wěn)定的懸浮液,其強化傳熱傳質的性能已得到廣泛的研究和應用．同時,因納米顆粒出現(xiàn)吸收頻帶寬化等光學特性,通過優(yōu)選顆粒的種類和質量分數(shù),可形成具有光譜強吸收特性的納米流體[1-2]．納米流體直接吸收式太陽能集熱器(nanofluid-based direct absorption solar collector, NDASC)正是一種基于納米流體優(yōu)異的熱傳輸性能[3]和光譜強吸收性能的新型太陽能集熱技術,用于提高集熱器效率并降低成本,近年來得到越來越多的研究和重視．

Saidur等[4]和Ladjevardi等[5]分別研究得出,在水中添加Al和石墨納米顆?？娠@著增強水基液對太陽輻射的吸光性能;Vakili 等[6]在低溫集熱范圍內,對石墨烯-水納米流體的光學性能和導熱性能進行了測試,發(fā)現(xiàn)隨著納米顆粒質量分數(shù)增加,其熱導率和吸光系數(shù)均增大．國內外眾多研究表明,NDASC有望獲得較好的集熱性能[4-10],但主要集中在加熱70 ℃以下生活熱水,對NDASC中溫集熱的研究還較少．太陽能中溫集熱系統(tǒng)通常采用聚光器以獲得更高集熱溫度,在熱驅動制冷空調、中低溫發(fā)電、工業(yè)加熱等領域應用潛力巨大．王文婷等[11]對TiN-EG納米流體在菲涅耳透鏡聚光下進行了集熱效率測試;作者前期已對采用CuO-導熱油納米流體的NDASC的中溫集熱性能進行了實驗研究,驗證了其比傳統(tǒng)集熱器在一定溫度范圍內具有更高的集熱效率[12-15]．但聚光造成集熱管表面輻射熱流密度極度不均勻,不僅影響集熱效率,而且集熱管周向溫差過大會引起熱應力變形，導致集熱器損壞．然而,目前對于聚光工況下NDASC的溫度分布特性及其影響因素的研究還鮮見報道．

因此,本文將通過CFD模擬非均勻聚光情況下NDASC在不同溫度下的集熱特性,重點研究分析納米流體中添加的納米顆粒質量分數(shù)對集熱管內溫度分布、集熱效率的影響規(guī)律．

1 NDASC集熱機理與傳熱數(shù)學模型

1.1 集熱機理

傳統(tǒng)的太陽能集熱器通過集熱內管表面的選擇性吸收涂層吸收太陽輻射,再將熱能傳遞給管內的集熱流體(HTF),圖1(a)是一種間接吸收集熱器(簡稱IASC);而納米流體直接吸收式集熱器采用無涂層的集熱管,集熱機理如圖1(b)所示,太陽輻射直接被透明管內分散在流體中的納米顆粒吸收,并很快將熱能傳遞給周圍的基液.上述2類集熱器的內、外管間均抽成真空以降低對環(huán)境的散熱損失．從微觀上看,太陽輻射的入射光大部分被納米顆粒捕捉而轉化成熱能,少部分直接透過或散射,散射光經(jīng)過周邊其他納米顆粒多次反復吸收,逸散出集熱管而損失的輻射極少,宏觀表現(xiàn)為納米流體的高吸收系數(shù)．

(a) IASC

(b) NDASC

1.2 NDASC管內能量傳遞數(shù)學模型

太陽輻射被分散在基液中的納米顆粒逐層吸收、透射和散射,圖2為NDASC管內輻射能量傳遞模型．假定太陽輻射不隨集熱管軸長z方向變化,管內納米流體不同位置處接收到的輻射強度將隨半徑r和圓周角θ兩個維度變化,集熱管內表面的初始入射光強度為I0(θ),當輻射傳遞到位置(r,θ)時,強度衰減為It(r,θ),散射強度為Is(r,θ)．根據(jù)Beer-Lambert定理,流體內部穿透的光程為(R-r),考慮了散射和透射因素的輻射傳遞方程為

(1)

式中,Ka為納米流體的平均吸光系數(shù),m-1;R為集熱管內管半徑,m;τ′為入射光自進入流體到離開流體界面過程中的透過率,可通過分光光度計直接測試得到．

圖2 NDASC管內輻射能量傳遞模型

輻射在流體內部傳遞過程中衰減的輻射量qf(r,θ),被納米流體吸收并轉化為熱能,其計算式為

qf(r,θ)=I0(θ)-[It(r,θ)+Is(r,θ)]=

I0(θ)(1-e-Ka(R-r))

(2)

(3)

因此,穩(wěn)態(tài)工況下NDASC管內納米流體的集熱可描述為帶非均勻內熱源的傳熱方程,即

(4)

式中,Tf為工質流體的溫度,K;Cp為比定壓熱容, kJ/(kg·K);ρ為密度,kg/m3;k為工質流體的熱導率, W/(m·K);ux,uy和uz分別為流體在x軸、y軸和z軸上的速度．

1.3 聚光集熱器輻射熱流分布計算模型

槽式拋物面聚光器是普遍應用的聚光結構之一,其光線傳播路徑如圖3所示．拋物鏡面將入射的太陽輻射能Is反射到拋物面焦線軸上的集熱管表面,從而成倍地提高集熱管單位面積所接收的太陽輻射強度．

圖3 槽式拋物面聚光器的光線傳播模型

集熱管內管表面接收的周向輻射熱流強度I0(θ)沿y軸對稱分布,但隨θ角度而變化．根據(jù)拋物鏡面的幾何結構方程和表面光學參數(shù),采用光線追蹤法,推導得到

(5)

(6)

式中,p為聚光器拋物面的焦距,m;I為太陽輻射強度,W/m2;Di為集熱管內管直徑,m;θ為反射光線與拋物線軸線的夾角,rad．聚光集熱器的光學效率ηopt由拋物鏡面的反射率ρ、集熱管玻璃透過率τg、鏡面和集熱管污漬引起的光能損失系數(shù)τd,以及聚光器幾何誤差等因素決定[16-17]．

1.4 管外散熱損失與集熱效率

實際雙層玻璃真空集熱管內、外管的環(huán)形夾層間存在少量空氣,因此內、外管存在輻射換熱qr1和對流換熱qc1,且對流換熱機理取決于真空夾層內的氣體壓力[17]．玻璃外管再通過輻射換熱qr2和對流換熱qc2向環(huán)境散熱,形成集熱管的散熱損失qL,即

qL=qr1+qc1=qr2+qc2

(7)

式中,換熱熱流qr1,qc1,qr2,qc2的計算參照文獻[12]的經(jīng)驗公式．

由于管內流體溫度分布不均勻,流體集熱量Qf為集熱管進、出口流體攜帶的能量之差,即

Qf=∫ρCpvoTf,o(r,θ)dA-∫ρCpviTf,i(r,θ)dA

(8)

定義集熱器的集熱效率為流體吸收到的有用能與投射到集熱器的太陽輻射能量之比,即

(9)

式中,vi和vo分別為集熱管進、出口流體的流速,m/s;Tf,i(r,θ)和Tf,o(r,θ)分別為集熱管進、出口截面流體的局部溫度,K;W為集熱器的采光口寬度,m;L為集熱管長度,m．

2 CuO-導熱油納米流體的輻射吸收特性

本文研究的集熱工質為導熱油基液中添加了不同質量分數(shù)CuO顆粒的納米流體．采用兩步法,首先利用油酸對CuO顆粒進行改性,再通過超聲攪拌使粒徑約200 nm的納米顆粒均勻分散在導熱油基液中．通過靜置實驗和吸光度測試,表明本研究中的CuO-導熱油納米流體在適宜的改性劑量下具有較好的穩(wěn)定性[15]．

吸光系數(shù)是反映流體對輻射吸收能力的物性參數(shù)．使用全光譜分光光度儀分別對納米顆粒質量分數(shù)w為0.050%,0.055%,0.060%,0.075%,0.100%的CuO-導熱油納米流體進行透射實驗,測得250～3 300 nm全波段光譜吸光系數(shù)Ka(λ)．按太陽輻射強度的光譜分布特性I(λ)進行全光譜積分平均,即

(10)

得到添加不同質量分數(shù)CuO顆粒的納米流體對太陽輻射的平均吸光系數(shù)Ka,如表1所示．可以看出,納米流體的平均吸光系數(shù)Ka隨著添加CuO顆粒質量分數(shù)的增大而增大,即對太陽輻射的吸收能力不斷增強．

表1 不同質量分數(shù)納米流體對太陽輻射的平均吸光系數(shù)

納米流體的比熱容Cp受添加納米顆粒質量分數(shù)的影響,其計算式為

Cp=wCnp+(1-w)Cbf

(11)

式中,Cnp,Cbf分別為納米顆粒、導熱油基液的比定壓熱容．

本研究采用WD型高溫導熱油,其比定壓熱容Cbf隨溫度而變化,可根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的物性數(shù)據(jù)進行線性擬合得到．此外,納米流體的有效熱導率、黏度、密度等物性計算參考文獻[14]．

3 特性模擬與結果分析

利用NDASC的集熱數(shù)學模型和納米流體吸光系數(shù)等物性參數(shù),對幾何聚光比W/(πDi)為7.36的NDASC集熱特性進行數(shù)值模擬,表2列出了集熱器結構與工況模擬參數(shù)．模擬中假設環(huán)境溫度、風速和太陽輻射強度不隨時間變化．此外,對相同工況下傳統(tǒng)IASC的性能也進行模擬對比,二者的結構尺寸和采用的聚光器完全相同,區(qū)別僅在于IASC采用的集熱器內管表面有吸收涂層(涂層吸收率αc取0.86,涂層發(fā)射率εc取0.11),集熱工質為純導熱油．因此,IASC的集熱數(shù)學模型只需除去式(4)中的內熱源項,集熱管表面吸收的熱流密度q0(θ)計算公式如下:

q0(θ)=αcI0(θ)

(12)

表2 集熱器的結構與工況模擬參數(shù)表

3.1 添加納米顆粒的質量分數(shù)對NDASC管內溫度分布的影響

圖4為I=700 W/m2,ta=30 ℃工況下,模擬得到添加不同質量分數(shù)納米顆粒的NDASC和IASC在流體入口溫度tf,i=90 ℃時,管長Z=1.7 m處截面的流體溫度分布．

圖4 不同質量分數(shù)納米顆粒的NDASC管內流體溫度分布(Z=1.7 m處截面tf,i=90 ℃)

由圖可以看出,由于聚光工況下集熱管表面接收的太陽輻射強度極度不均勻,導致內部流體溫度分布也呈現(xiàn)非均勻特征,對于添加納米顆粒質量分數(shù)分別為0.050%和0.055%的NDASC,其最高溫度在管中心的主流區(qū),管內溫度均勻性最好．隨著納米顆粒質量分數(shù)的提高,管內最高溫度逐步向集熱管壁側移動,流體溫度分布的不均勻性不斷加劇,管壁周向溫差也越大．如表3所示,納米顆粒質量分數(shù)為0.050%時管壁周向溫差為11.4 ℃,當w=0.100%時則增加到22.5 ℃,這是由于納米流體的吸收系數(shù)Ka隨著納米顆粒質量分數(shù)的提高而明顯增大,流體中輻射傳遞沿光程衰減速度也隨之增大．例如,納米顆粒質量分數(shù)為0.050%時,輻射經(jīng)過1 cm流體層僅被吸收了46.8%的輻射能,更多的輻射能被中心部分的流體吸收;而納米顆粒質量分數(shù)為0.100%時,經(jīng)過1 cm的流體層輻射能就被吸收了97%,將輻射能轉換為熱能,因此高溫區(qū)靠近集熱管壁面．

表3 NDASC和IASC管壁周向溫差

與傳統(tǒng)IASC的溫度分布對比發(fā)現(xiàn):IASC管內流體出現(xiàn)明顯的溫度分層,高溫流體匯集在集熱管頂部,最高溫度出現(xiàn)在壁面,集熱管周向溫差高達62.3 ℃;而采用不同納米顆粒質量分數(shù)的NDASC管內溫度分布要均勻得多,周向溫差為11.4～22.5 ℃,可緩解非均勻聚光下集熱管的局部熱應力導致的變形損壞．

3.2 不同質量分數(shù)納米顆粒對NDASC集熱效率的影響

在流體進口溫度tf,i為40～150 ℃的工況下,模擬納米流體中添加不同質量分數(shù)納米顆粒的NDASC和IASC的集熱效率,如圖5所示．實驗值參考文獻[13]中的I=700 W/m2，ta=30 ℃工況下數(shù)值.

圖5 不同質量分數(shù)納米顆粒NDASC與IASC集熱效率

可以發(fā)現(xiàn):NDASC和IASC的集熱效率ηc均隨著集熱溫度的升高而降低;在相同溫度工況下,ηc隨納米顆粒質量分數(shù)的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,最高集熱效率出現(xiàn)在納米顆粒質量分數(shù)為0.055%～0.060%之間,例如,在tf,i=90 ℃工況下,w=0.050%的效率為0.515,w增加到0.060%時效率提高到0.53,但w進一步增加后效率反而有所下降,當w=0.100%時效率下降到0.517．分析其原因,NDASC的集熱效率不僅受到流體吸收系數(shù)Ka的影響,還與管內流體的對流形態(tài)和傳熱特性密切相關．當納米顆粒質量分數(shù)低于0.055%時,納米流體吸收系數(shù)較低,無法完全吸收太陽輻射,透射出去的能量成為集熱器的熱損,從而降低了集熱效率;但隨著納米顆粒質量分數(shù)的不斷提高,Ka持續(xù)增大,盡管納米流體的吸收能力增強,但由于輻射在流體內部的傳遞沿光程衰減速度也隨之增大,輻射中更大比例的熱量被靠近管壁處的流體所吸收,造成流體最高溫度區(qū)越來越靠近管壁(見圖4),導致通過管壁對外的散熱損失增大,降低了集熱效率．因此,NDASC采用的納米流體存在最佳的納米顆粒質量分數(shù),此時集熱效率最大．

同時,隨著流體進口溫度tf,i的提高,NDASC的效率下降速率要比IASC快,因而相同環(huán)境工況下每個工況的NDASC和IASC的效率曲線均存在一交點,對應某一集熱溫度,稱其為效率轉折溫度tcp,當集熱溫度低于tcp時,NDASC的效率高于IASC,文獻[13]的實驗結果也驗證了此結論．由圖5中不同納米顆粒質量分數(shù)下NDASC分別與IASC的效率曲線交點的位置可以發(fā)現(xiàn),納米顆粒質量分數(shù)在0.055%～0.060%所對應的效率轉折溫度更高,約為139 ℃,即具有更寬的適宜工作范圍;而納米顆粒質量分數(shù)為0.050%和0.100%的NDASC的效率轉折溫度分別為126和130 ℃;因此優(yōu)選納米顆粒質量分數(shù)0.055%～0.060%可同時獲得最高的集熱效率和效率轉折溫度．

4 結論

1) CuO-導熱油納米流體對太陽輻射具有強吸收作用,吸收系數(shù)隨納米顆粒質量分數(shù)的提高而增加.

2) 納米流體中納米顆粒質量分數(shù)對集熱管溫度分布影響很大,隨著納米顆粒質量分數(shù)的提高,管內流體溫度分布的不均勻性加劇,集熱管壁周向溫差增大.

3) 對于特定結構的NDASC,納米流體的納米顆粒質量分數(shù)過低或過高都會導致集熱損失增大,本研究中獲得最大集熱效率的納米顆粒質量分數(shù)范圍為0.055%～0.060%．

本文建立的NDASC數(shù)學模型和模擬方法不局限于CuO-導熱油納米流體,也適用于其他工況和其他種類納米流體,可為聚光型NDASC集熱器的設計及工質優(yōu)選提供理論參考．

References)

[1]Zhu Q Z, Cui Y, Mu L J, et al. Characterization of thermal radiative properties of nanofluids for selective absorption of solar radiation[J].InternationalJournalofThermophysics, 2013, 34(12):2307-2321. DOI:10.1007/s10765-012-1208-y.

[2]方曉鵬. 納米流體熱質傳遞機理及光學特性研究[D]. 南京:南京理工大學能源與動力工程學院, 2013.

[3]Xuan Y M, Li Q. Investigation on convective heat transfer and flow features of nanofluids[J].JournalofHeatTransfer, 2003, 125(1): 151-155. DOI:10.1115/1.1532008.

[4]Saidur R, Meng T C, Said Z, et al. Evaluation of the effect of nanofluid-based absorbers on direct solar collector [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2012, 55(21): 5899-5907. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.05.087.

[5]Ladjevardi S M, Asnaghi A, Izadkhast P S, et al. Applicability of graphite nanofluids in direct solar energy absorption [J].SolarEnergy, 2013, 94: 327-334. DOI:10.1016/j.solener.2013.05.012.

[6]Vakili M, Hosseinalipour S M, Delfani S, et al. Photothermal properties of graphene nanoplatelets nanofluid for low-temperature direct absorption solar collectors[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells, 2016, 152:187-191. DOI:10.1016/j.solmat.2016.01.038.

[7]毛凌波,張仁元,柯秀芳,等. 納米流體太陽集熱器的光熱性能研究[J]. 太陽能學報,2009,30(12):1647-1652. Mao Lingbo, Zhang Renyuan, Ke Xiufang, et al. Photo-thermal properties of nanofluid-based solar collector[J].ActaEnergiaeSolarisSinica, 2009, 30 (12):1647-1652. (in Chinese)

[8]潘志東,Nkurikiyimfura I,周明輝,等. 基于磁性納米流體的直接吸收式太陽能集熱器的集熱性能[J]. 硅酸鹽學報,2014，42(4):522-527. Pan Zhidong, Nkurikiyimfura I, Zhou Minghui, et al. Thermal performance of simulated direct absorbing solar collector with magnetic nanofluid[J].JournaloftheChineseCeramicSociety, 2014,42 (4):522-527. (in Chinese)

[9]Sani E, Barison S, Pagura C, et al. Carbon nanohorns-based nanofluids as direct sunlight absorbers [J].OpticsExpress, 2010, 18(5): 5179-5187. DOI:10.1364/oe.18.005179.

[10]Luo Z, Wang C, Wei W, et al. Performance improvement of a nanofluid solar collector based on direct absorption collection (DAC) concepts [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2014, 75(8): 262-271. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.072.

[11]王文婷,朱群志,段芮,等. 基于TiN-EG納米流體的直接吸收式太陽集熱系統(tǒng)性能實驗研究[J]. 太陽能學報,2015,36(6):1300-1305. Wang Wenting, Zhu Qunzhi, Duan Rui, et al. Study on performance of direct absorption solar collector system based on TiN-EG nanofluids[J].ActaEnergiaeSolarisSinica, 2015, 36(6):1300-1305. (in Chinese)

[12]徐國英,陳偉,張小松，等. 納米流體直接吸收式太陽能中溫集熱與熱損分析[J]. 工程熱物理學報,2015, 36(5): 960-964. Xu Guoying, Chen Wei, Zhang Xiaosong, et al. Performance and heat loss analysis on the direct absorption medium-temperature solar collector using oil-based nanofluid[J].JournalofEngineeringThermophysics, 2015, 36(5): 960-964. (in Chinese)

[13]Xu G Y, Chen W, Deng S M, et al. Performance evaluation of a nanofluid-based direct absorption solar collector with parabolic trough concentrator[J].Nanomaterials, 2015, 5(4): 2131-2147. DOI:10.3390/nano5042131.

[14]趙賽男.納米流體對太陽輻射的吸收特性及集熱適用性研究[D]. 南京:東南大學能源與環(huán)境學院, 2016.

[15]徐國英,李凌志,張小松，等. 太陽能集熱用導熱油納米流體的穩(wěn)定性及中溫集熱特性[J]. 流體機械,2015,43(4):57-60. DOI:10.3969/j.issn.1005-0329.2015.04.012. Xu Guoying, Li Lingzhi, Zhang Xiaosong, et al. Experimental study on the dispersion stability and solar heat collection performance of oil-based nanofluids[J].FluidMachinery, 2015, 43(4): 57-60. DOI:10.3969/j.issn.1005-0329.2015.04.012. (in Chinese)

[16]Kalogirou S A. A detailed thermal model of a parabolic trough collector receiver[J].Energy, 2012, 48(1): 298-306. DOI:10.1016/j.energy.2012.06.023.

[17]Forristall R. Heat transfer analysis and modeling of a parabolic trough solar receiver implemented in engineering equation solver [R]. Golden, CO, USA: National Renewable Energy Laboratory, 2003.

Analysis on solar collection characteristics of nanofluid under non-uniform concentrated radiation

Xu Guoying Chen Cai Zhang Xiaosong Chen Wei

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A nanofluid-based direct absorption solar collector (NDASC) operated with a parabolic trough concentrator was studied. The radiation transmission and the heat transfer mechanism within the nanofluid were mathematically modeled, and the spectral absorption properties of CuO/oil nanofluid with different mass fractions of CuO nanoparticles were investigated. Then, performance characteristics of the NDASC operated under non-uniform concentrated solar radiation flux were numerically simulated. The influences of mass fraction of nanoparticles on the NDASC temperature distribution of NDASC and collection efficiency were analyzed at temperature from 40 to 150 ℃. Results show that the temperature difference on the inner tube wall of NDASC is much lower than that of a conventional solar collector employing coated tube. With the increase of the mass fraction of nanoparticles, the absorption coefficient of nanofluid increases, and the temperature distribution in the NDASC becomes more non-uniform,but the collection efficiency first increases and then decreases. Furthermore, the optimum mass fraction of the nanofluid is obtained to achieve the highest collection efficiency.

nanofluid; solar collector; solar concentration; collection efficiency; temperature distribution

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.019

2016-06-20. 作者簡介: 徐國英(1983—)，女，博士，講師，xugy@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51676046)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2014BAJ01B05-2).

徐國英,陳彩,張小松,等.聚光條件下納米流體非均勻集熱特性分析[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(6):1221-1226.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.019.

TK513

A

1001-0505(2016)06-1221-06