对使用二氧化钛水纳米流体的平板太阳能集热器热效率的实验研究

毕业设计(论文)外文资料翻译学院：专业班级：学生姓名：学号：指导教师：(教授)外文出处：ModernAppliedScience附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文指导教师评语：签名：年月日对使用二氧化钛/水纳米流体的平板太阳能集热器热效率的实验研究文献摘要：在这项研究中，小型的平板太阳能集热器（FPSC）的制造和测试是用于研究纳米TiO2在以水为基液中的不同纳米颗粒浓度的影响。分别对三种流速（即36，72和108升/平方米.小时）和四种颗粒浓度的比率（即0，0.1，0.2和0.3%）进行了研究。而实验测试方法被选为基于欧洲标准EN12975-2的准动态试验方法（QDT）。添加纳米颗粒的水所带来的改进后的平板型太阳能集热器初始效率相对于原流体提升了3.5%和10.5%之间、集热器总效率指数提升了2.6%和7%之间。而且实验结果表明：以水为流体，流速分别为36，72和108升/平方米.小时的集热器初始效率为0.4712,0.4998和0.5457，后两者数据相对于第一组流速为36的初始效率分别增加了6.1%和15.8%。另外，质量流率为72和108升/平方米.小时的集热器总效率与质量流率为36升/平方米.小时的集热器总效率相比较，分别增加了6.7%和15.7%。关键字：平板型太阳能集热器，热效率，纳米流体1.引言可再生能源系统最大的好处是减少了环境污染。因为能源成本及其需求呈指数增长与化石能源现在和未来的时间即将枯竭，以及对环境和空气的污染正在更严重，所以有着强烈的需求使用或产生新的或可再生的、清洁的、低成本的能源被开发以应对这一危机（Ali，2013年）。可再生能源例如太阳能就可以填补过度的人类能源需求(Taki,Ajabshirch,Behfar,&Taki,2011年)。太阳能作为最显著形式的可再生能源之一，引起了很多的关注，因为人们相信它可以在满足我们未来需求的重要组成部分方面，以能源起到非常重要的作用（Hedayatizadeh等人，2013）。然而太阳能作为一种永恒的和普遍的能源却密度低、经常变化，除此以外光照时间和消费时间之间有差距也是一个主要缺点。因此，在光照时间为能源消费期收集和储存太阳能是必须的。水是一种收集和储存太阳能比较好的材料，在可再生能源行业，太阳能热水器（SWH）是发展最快的一项技术(Kumar&Rosen,2011)。当利用太阳能加热水成为当今世界上(Wongsuwan&Kumar,2005)太阳能直接利用中最重要的应用时，平板太阳能热水器（FPSWH）则成为一项众所周知的技术。而且太阳能热水器的热效率在利用一些技术改进后有所提高(Rezania,Taherian,&Ganji,2012)。到目前为止，许多这方面的研究都是一直致力于提高太阳能热水器的热效率(Koffi,Andoh,Gbaha,Toure,&Ado,2008;Jaisankar,Radhakrishnan,&Sheeba,2009a;Jaisankar,Radhakrishnan,&Sheeba,2009b;Alshamaileh,2010;Kumar&Rosen,2010)。通过换热器提高热传递的方法很多，可分为两大类：被动式和主动式的方法。相比主动式技术，被动式方法不需要外力。被动式方法使用纳米流体作为传热介质来增加热传递。尽管有许多科学著作正在研究纳米流体对换热器热效率所产生的影响，但是关于纳米流体对平板太阳能集热器的影响的研究却非常有限。在2007年Das、Choi、Yu和Pradeep发表声明说：可以利用纳米流体来提高从太阳能集热器到储热箱的热传递以及用来增加能量密度。而且在2009年Natarajan和Sathish也认同了通过加入纳米流体代替传统意义上的传热流体来提高太阳能热水器效率的新方法。2013年Tiwari、Pradyumna、Ghosh和Sarkar研究了理论上在平板太阳能集热器中使用Al2O3纳米流体作为吸收介质的效果。而且他们还研究了质量流率和颗粒体积分数对集热器效率所带来的影响。其研究结果显示：使用颗粒体积分数为1.5%的Al2O3纳米流体时为最佳，其太阳能集热器热效率相比以水作为工作流体时增加了31.64%。2009年Otanicar和Golden报道了关于基于由各种纳米粒子（碳纳米管，石墨，银）组成的纳米流体太阳能集热器的研究成果。利用纳米流体作为吸收机制的太阳能集热器热效率被提高了5％。实验和数据结果表明：初始时，效率随体积分数的增加而快速增加，然后随体积分数不断增加趋于平缓。Yousefi、Veysy、Shojaeizadeh和Zinadini实验性的研究了Al2O3和多壁碳纳米管（MWCNT）水纳米流体对FPSC（平板太阳能集热器）的效率的影响。结果表明，使用Al2O3和多壁碳纳米管的水纳米流体作为工作流体的集热器效率相比以水作为工作流体的效率分别提高了28.3％和35％。2011年Taylor等人研究了高通量太阳能集热器纳米流体的适用性。在一个实验室规模的纳米流体的碟形接收器的实验表明，如果操作条件石墨体积分数0.125%是精确的，相对传统的流体高达10%的增长率可能的。总之，到目前为止，在太阳能集热器上进行纳米流体的研究应用，尤其是FPSC（平板太阳能集热器）的研究少之又少。由于FPSCs在可再生能源领域是最常用的系统，所以任何提高能源效率的尝试都似乎是很有意义的。考虑到以往的研究，纳米流体是这一目标的新选择。因此，本实验研究的目的是研究在小型FPSC中与水相比较二氧化钛（TiO2）纳米流体作为传热介质的效果。术语表Ac太阳能集热器的面积(m2)Cp,nf纳米流体热容(J/kgK)Cb电导率D管道外直径Cp定压比热容(J/kgK)Di管道内直径Cp,bf基液（水）热容(J/kgK)F翅片效率Cp,np纳米粒子（TiO2）热容(J/kgK)F´集热器效率因子FR热迁移因子R2确定系数Gt太阳总辐射(W/m2)Ta周围空气温度(C)hfi管内的传热系数Ti集热器流体进口温度(C)m流体的质量流率(Lit/s)To集热器流体出口温度(C)Qu有用能获取率(W)Ul集热器总损失系数(W/m2K)希腊字母α平板吸收率τ玻璃罩透射率η0初始效率φ纳米流体中纳米颗粒的质量分数ηi瞬时效率2.材料和方法2.1纳米流体我们可以利用两大阶段的方法使质量分数分别为0.1、0.2和0.3％的钛粉末（二氧化钛（金红石）纳米颗粒的平均直径为20nm，平均表面积为40m2/gr）分散于双重蒸馏的基液水中。由于纳米材料的表面积与容积之比很大，纳米颗粒之间的表面张力总是造成了颗粒的聚集和沉积。为了解决这个问题，人们通常在其中加入表面活性剂。在这项研究中，几种表面活性剂如聚乙二醇辛基苯基醚（TritonX-100），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），双20和80都进行了实验。结果发现，用TritonX-100和CTAB可以通过制造空气泡（泡沫）来使纳米流体的稳定性增加，但同时集热器的热效率却降低了。因此，人们在制备纳米流体时往往不愿加入表面活性剂。首先，将粉末加入到双重蒸馏水中并经过6个小时磁力搅拌器的搅拌。之后，将混合物通过UP400S超声波处理器（德国赫优讯超声技术公司）处理30分钟（如图1）。所制备的纳米流体至少可以保持4个小时的稳定。图1.UP400S超声波处理器中的纳米流体2.2实验装置如图2为实验装置示意图。实验需要给太阳能集热器测量三个温度，即周围空气温度、集热器流体进口和出口温度。图2中，1是周围空气温度传感器，2是平板太阳能集热器（FPSC），而它的细节总结在表1中。太阳能集热器上镶有玻璃（一个盖），并以55º的倾角面向南方。3和4分别是FPSC的传热流体的进口和出口。两个水银温度计分别在太阳能集热器的入口和出口处以误差不超过0.1℃的精度在3和4测量传热流体的温度。温度计的水银球一定要完全放入管中。同时，还要用PT100传感器获得高精度的三点温度。泵8将集热器中的水经过流量控制阀6最终送入储热箱7中。在这个位置测量质量流量的方法是直接测量体积流量。为了满足准稳态条件，使入口流体处温度变化缓慢，所以就应用到了换热器（如图2中5）。太阳辐射（Gt）是由TES1333太阳能功率计9测量，其精度在±10W/M2和分辨率为0.1W/M2。另外，还需要PROVAAVM-03风速计提供精确风速的测量，其具有±3.0％±0.1的精度。图2.实验装置原理图1.环境空气温度传感器2.平板太阳能集热器3.集热器进口4.集热器出口5.热交换器6.流量控制阀7.储热箱8.水泵9.太阳能功率计10.风速计小型平板太阳能集热器的规格表1所示，根据图2中实验装置原理可制造出如图3所示实物。表1.FPSC的规格规格尺寸材料平板吸收器长度0.5m铜平板吸收器宽度0.2m平板吸收器厚度0.001m管道内径0.003m管道外径0.004m盖板厚度0.005m玻璃边框厚度0.016m中密度纤维板底部厚度0.05m石棉倾斜角55º/管道焊接至板上平板吸收器要用黑色漆粉刷图3.平板太阳能集热器的实验实物图2.3实验过程实验测试的方法是根据欧洲EN12975-2（2006）标准来做的一个准动态的试验（QDT）。为了促进对这一方法的理解，我们可以通过紧密联系那些被广泛接受的太阳能集热器的稳态试验，来给出推荐的测试顺序和测试要求。图3中展示的装置是在伊朗的马什哈德市（北纬36º，东经60º）进行的研究。根据欧洲EN12975-2标准，集热器必须在在晴空条件下测试其工作温度范围，以确定其性能特征。该方法经后来修订后，便利用三个不同的进口温度来确定其特性。首先，在周围环境温度中选择进口温度来获的精确初始效率η0，其次，进口温度被定为52ºC左右，最后，最高流速进口温度选为7ºC左右。一共有12个案例研究过三种流速（即36，72和108升/平方米.小时）和四种颗粒浓度的比率（即0，0.1，0.2和0.3%），每个案例中，有三个进口温度，对于每个进口温度，在正午太阳辐照度Gt在900到1000W/m2之间取四个数据点。每一次单项实验完成后进口温度都要改变。收集器的进口温度或流量改变之后，都需要至少20分钟的预处理时间，以确保收集器的初始状态消失并没有影响的参数识别的结果。FPSC的有用能获取率（Qu）的计算公式为：Qu=m﹒Cp(T0-Ti)(1)其中，m和Cp分别表示流体的质量流率和热容。Koffi等人（2008）使用等式2来计算水的热容量：Cp,w=4226-3.244Tfm+0.0575Tfm2(2)Tfm=(T0+Ti)/2(3)其中，Tfm为集热器内部工作流体的平均温度（ºC）。纳米流体的热容量可以用以下公式计算（Kayhani，2012）：Cp,nf=Cp,np(φ)+Cp,w(1+φ)(4)有用能获取率可以用以下公示表达出来(Duffie&Beckman,1991)：Qu=AcFR(Gt(τα)-U1(Ti-Ta))(5)对于每个测试，瞬时效率（ηi）是从实用的能量增益（Qu）于入射辐射（AcGt)的比值来确定：ηi=Qu/AcGt=m﹒Cp(T0-Ti)/AcGt=FR(τα)-FRU1(Ti-Ta/Gt)(6)如果FR、U1、（τα）都是常数，公式中的FR(τα)和FRU1分别相当于ηi和Ti-Ta/Gt的直线方程的截距和斜率。然而，实际情况下却和理论上不太一样。尽管许多太阳能加热系统很难进行长时间的性能检测评估，集热器仍具有直线截距和斜率（即FR(τα)和FRU1）的特征（Duffie&Beckman,1991)。每次实验后，利用Matlab软件的曲线拟合工具箱，调整散热效率与降低温度参数，使得到的实验数据是一条直线。拟合度是由R2、SSE（误差平方和）和RMSE（根均方误差）来确定的：niipredipSSE12,,ex)(（7）nRMSEniipredi1,exp,2)(（8）其中，ηexp,i和ηpred,i分别表示实验和预期太阳能集热器热效率，n为每个模型的数据的数量。最后，得到的曲线下的面