二氧化钛水平板太阳能集热器热效率的实验研究外文翻译.docx

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二氧化钛水平板太阳能集热器热效率的实验研究外文翻译

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1.外文资料翻译译文；2.外文原文

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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：

（7）

（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，得到的曲线下的面积即为太阳能集热器总效率，将几次试验的数据进行对比分析。

3.结果分析

3.1水作为传热介质

首先，对以水为工作流体的集热器进行测试。

试验时，规定D1和D2流速的管道中水以层流流动，D3流速的管道中水以层流湍流临界状态流动。

实验结果如图4和表2中显示。

可以看出，三种流速D1，D2,D3状态下的水在初始点Ti-T0=0的集热器热效率（即η0）分别为0.4712,0.4998和0.5457。

随着通过集热器的质量流率的增大，通过集热器温升减小，这样就降低了损耗，也相应的增大了有用能获取率。

这些都是通过增加集热器散热系数FR得到的（Duffie&Beckman,1991）。

这个数学模型的截距相当于FR（τα），倍数（τα）是个不变的常量，所以增大FR就可以使FR（τα）增大。

由于降低集热器的温度U1下降很少，所以尽管通过增加集热器的质量流率来增大FR，但是（FRU1）的倍数仍然增大，（-FRU1）减小。

因此，实验中三种流速D1、D2、D3的斜率分别是-8.304,-8.827和-9.582。

从实验数据模型的斜率是负的可以看出，增加的Ti-Ta，会导致效率为零。

还有另外一组参数可以看出集热器的效率，就是表2中给出的A（曲线下面积乘100）。

表中给出了全部范围（从X=0到Xmax）内的集热器效率，D1φ0、D2φ0、D3φ0的A（曲线下面积）分别是1.34,1.43和1.55，这就证明了D2φ0、D3φ0相对于D1φ0分别增加了6.7%和15.7%。

D3φ0曲线的截距、斜率和A相比于D2φ0曲线改变更大，这是因为D3流速的改变是层流到湍流的改变。

图4.以水为工作流体的集热器三流速下的热效率

表2.实验结果

公式

A

R2

SSE

RMSE

D1φ0

η=-8.304x+0.4712

1.34

0.9738

0.008

0.025

D2φ0

η=-8.827x+0.4998

1.43

0.988

0.004

0.0191

D3φ0

η=-9.582x+0.5457

1.55

0.989

0.0035

0.0181

D1φ1

η=-9.145x+0.5089

1.4

0.982

0.006

0.024

D1φ2

η=-9.27x+0.5123

1.41

0.988

0.004

0.02

D1φ3

η=-9.396x+0.5161

1.42

0.98

0.0065

0.025

D2φ1

η=-9.784x+0.5418

1.49

0.9846

0.005

0.023

D2φ2

η=-9.88x+0.5455

1.52

0.9897

0.0044

0.021

D2φ3

η=-10.03x+0.5524

1.53

0.987

0.0045

0.02

D3φ1

η=-10.03x+0.5649

1.59

0.9865

0.0053

0.023

D3φ2

η=-10.28x+0.5717

1.59

0.9831

0.006

0.026

D3φ3

η=-10.22x+0.5731

1.60

0.9907

0.0038

0.0194

3.2纳米流体作传热介质

到目前为止，很多实验研究都表明利用纳米流体相比于利用其它传统流体可以提高传热系数。

为了观察评定纳米流体对太阳能集热器热效率的影响效果，实验中对三种不同浓度的TiO2纳米颗粒流体进行了研究分析，并与水的结果进行比较。

图5表示了三种不同浓度的纳米颗粒流体与流速为36升/平方米小时的基液比较的结果。

实验结果显示，D1φ0、D1φ1、D1φ2和D1φ3的曲线截距分别是0.4712,0.5089,0.5123和0.5161，三种不同浓度的纳米颗粒流体的截距基本相同，都比D1φ0高出了大约4%。

靠近管壁的纳米颗粒的扩散和相对运动使得从管壁到纳米颗粒的进行快速的热传递（Kahani,Heris,&Mousavi,2013）。

与水比较，使用纳米颗粒流体的曲线的斜率更陡峭，这表示使用纳米流体颗粒可以增加集热器迁移因子（FR）。

而且D1φ1、D1φ2和D1φ3的曲线下面积也比D1φ0分别大了4.6、5.2和6%。

另外，还可以得出一个结论：

纳米颗粒浓度增加0.1%是没有影响的。

图5.流速为36升/平方米小时的集热器效率

图6表示的是D2φ0、D2φ1、D2φ2和D2φ3的实验数据坐标图。

假设出口温度与进口温度相等，即初始效率分别为0.4998、0.5418、0.5455和0.5524。

这种流速下，纳米流体的集热器热效率比基液高出了大约4%到5%。

D2φ1、D2φ2和D2φ3曲线下面积为1.49、1.52和1.53，比D2φ0分别大了4.2、6.3和7%。

图6.流速为72升/平方米小时的集热器效率

最后，图7表示了流速为108升/平方米小时的以水做工作介质和以纳米流体做工作介质的集热器的效率。

D3φ0、D3φ1、D3φ2和D3φ3的截距和斜率分别是.5457、0.5649、0.5717、0.5731和-9.582、-10.03、-10.28、-10.22。

和前面的实验一样，纳米流体的实验曲线截距和斜率要大于基础流体，但不太明显。

Kahani等人（2013）表示：

低雷诺数情况下，传热系数主要与流体热导率成比例。

“考虑到纳米颗粒的布朗运动和随机运动”，流体中纳米粉末的另一个影响是使流体的流动结构变为具有一个扁平的横向温度梯度的半湍流状态，这就增加了纳米流体的对流热传递。

但是在更高得雷诺数情况下，这个原理就丧失了优势，换句话说，在高流速状态下，传热系数不太依赖流体的热导率。

所以，热导率的影响变的不太显著。

因此，在纳米颗粒尊在的情况下，越高雷诺数的流体的热传递增强比会越小。

D3φ1、D3φ2和D3φ3的曲线下面积比D3φ0的面积分别大了2.6、2.6和3.2%。

从数据结果还可以看出，纳米流体对太阳能集热器热效率的影响是要小于D3流速与D2、D1流速比较所带来的影响。

增大流速或者在基液中加入纳米颗粒都是通过增加管道内传热系数（hfi），来增大集热器热效率因子（F‵）的方法（Duffi&Beckman,1991）。

（9）

考虑到集热器的其他特性不变，增加hfi或提高F‵，直到一方受到限制。

换句话说，为了有效提高hfi，在需要加入纳米流体时有必要选用太阳能集热器其他的特性。

图7.流速为108升/平方米小时的集热器效率

4.结论

本实验对二氧化钛不同纳米颗粒浓度与水混合为基液的效果在不同质量流率的太阳能集热器效率方面进行了研究。

每次试验都要做出ηi与Ti-Ta/Gt对比的拟合曲线。

曲线下面积的作用是用来比较不同流速不同纳米颗粒浓度集热器总效率。

结果表明：

通过增大太阳能内部基液的流速可以提高集热器总效率指标即曲线下面积，增幅可以达到15.7%。

另外，通过在水中增加纳米颗粒提高集热器总效率指标即曲线下面积，相同流速下增幅在2.6和7%之间。

最高流速（108lit/m2hr）的纳米流体相比于另外两个流速（36和72lit/m2hr）的纳米流体并没有产生明显的效果。

这可能是由于在纳米粉末存在的情况下，雷诺数越高，热传递增强比会越低。

另一个可能的原因是：

当集热器的其他特性不变时，增加管道内传热系数可以提高集热器效率直到达到某个极限，正是这个极限使得这个效果不是特别理想。

因此，在使用纳米流体时，要想提高集热器效率，就需要仔细的选择其它设计参数。

鸣谢：

在这我们感谢米兰理工大学能源部的MarioMotta教授和他的同事们的帮助。

同时，也感谢伊朗纳米技术倡议理事会和大不里士大学对这项研究的经费支持。

参考文献：