文摘

热管太阳能集热器(HPSCs)热交换器携带热量基于热管工作流体的相变。它的目的是提高太阳能集热器的工作温度范围通过改变阶段的工作流体在低温热管。出于这个原因,它已成为普遍使用纳米流体混合得到的纳米金属氧化物基液在一定比例以增加热管工作流体的热导率和增加比热闭包。本研究的主要目的是进行评估HPSCs的性能,是提高性能,这个方向进行了试验研究。为了这个目的,一个HPSC使用设计和制造。艾尔₂O₃——和TiO₂——纳米流体含有2%纳米粒子使用以提高性能的研究。HPSC研究中使用包含8热管长度为100厘米。实验进行了纯水和纳米流体及其效率和强度进行了比较。瞬时效率的最高价值是计算48%纯水作为工作流体时,为58%₂O₃——nanofluid, TiO为64%₂——nanofluid。使用纯水决心获得的瞬时功率为135.66 W, 167.96 W₂O₃TiO——nanofluid和184.03 W₂——nanofluid。效率的改善被确定为20.8%₂O₃——nanofluid TiO和33.3%₂——nanofluid。提高权力被发现为23.8%₂O₃——nanofluid TiO和35.6%₂——nanofluid。

1。介绍

土耳其是一个富裕的国家在可再生能源的多样性及其当前的潜力。特别是水电、风能、太阳能和地热能有可能满足大部分的能源需要。然而,有评估这个潜力是不够有效地使用在这个国家(1]。对能源的需求增加日复一日在许多国家,以及生产和消费之间的差距往往会开放一天。其中最重要的原因情况如下:因素,如人口增长,技术开发、产业化,提高人们的生活舒适。举个例子,在2002年至2017年之间,电能消耗总量从103 TWh增加到296太瓦时,增加了三倍(2]。由于能源使用的增加和扩大生产和消费之间的区别,现有能源资源的有效利用已经成为每个国家的一个非常重要的问题,使得国家采取一些预防措施。除了采取的预防措施,在现有系统改善工程如今已成为一个重要的问题,和重要步骤的解决能源问题被加速在这个方向进行研究。研究在不同的国家进行发展与特性,比如发电设备和水加热,尤其是太阳能的使用,和研究人员在这些问题上也支持。尤其是近年来,研究已经进行了热管在太阳能收集器的使用和各种工作液使用的范围内提高集热器的效率。

热管设备上工作的原则evaporation-condensation工作流体。工作流体,通过从液相到汽相温度的影响下,上升的影响下真空环境和自然运输和移动的能量从一个地区到另一个(3]。运输周期形成的热管以这种方式完成。工作流体的温度,释放其能量区域上升,下降,因此进入液相。换句话说,完成传热循环利用工作流体的相变热管。传统的传热流体导热系数较低,因为他们比固体热性能较弱,因此,使用传统的液体热系统可能不足以提高工程设备的性能和改善他们的密实度4]。然而,也有一些提高热管的传热效率的方法。其中一个方法是添加metallic-nonmetallic或聚合物颗粒传热流体。液体由暂停1 - 100纳米的纳米颗粒大小为传统的液体被称为“nanofluid”及其传热性能比传统的液体。主要的物理事件,导致纳米流体的传热性能显著提高可以总结如下5]:(我)准备nanofluid的热导率的增加,固体的导热金属高于基本的流体(2)传热面积的增加,由于增加液体的导热系数(3)有效的增加热流体的能力(iv)增加液体的导热系数由于高流体活动和湍流卷

近年来,许多研究已经开展了关于纳米流体在热管的使用。Saffarian等人进行了数值研究基于收集器的流动方向增加平板太阳能集热器的效率。为了检验其对传热效率的影响,他们专门研究了流动方向的参数和使用nanofluid收集器和调查的影响。因此,他们分析了结构的几何图形与u型,波浪,螺旋管道管长度相同的平板太阳能集热器使用k -ε模型。由于他们的研究,确定波浪和螺旋管的使用可以显著提高传热和努塞尔特数,和纳米粒子浓度的增加也会增加传热系数(6]。梅尔江和Yurddaş进行了数值研究,以确定使用纳米流体传热的影响在太阳能收集器。在这个数值研究中,他们选择了不同的分数,收集器的角度不同,不同的质量流率作为纳米流体的基本参数。由于学业,他们决定使用nanofluid改善传热(7]。Dehaj和Mohiabadi用氧化镁(分别)和去离子水纳米流体热管太阳能集热器作为工作流体。他们实验研究了这些纳米流体的性能的影响,他们准备在不同浓度。由于他们的研究,他们发现,热管太阳能集热器的性能增加制冷剂的速率增加,分别以纳米颗粒的浓度增加(8]。Kılıc研究流体的影响包含纳米金属氧化物在太阳能集热器系统的性能。在他的实验中使用平板太阳能集热器(我国),他利用2%质量alumina-water (Al₂O₃——)和二氧化钛(TiO₂纳米流体。使用的纳米流体,TiO₂——nanofluid瞬时效率提高34.43%与纯净水相比,在输出功率提高32.43%,而₂O₃——nanofluid混合增长了9.5%瞬时效率和输出功率增加9.06% (9]。Sozen等人进行了一项研究,研究纳米流体对系统性能的影响在一个包含热管换热器包。由于他们的实验,他们决定使用nanofluid系统显著提高性能。在他们的测试6 k W加热器功率,他们发现的最大回收率为37.04% (10]。卡娅等人进行了一项实验性能评估在一个真空管热管使用50 nm直径氧化铜-纯甲醇nanofluid(错)。(火用)值的不同状态进行了计算,与实验结果进行了比较。从获得的数据作为研究的结果,它是表示使用nanofluid提供更好的性能在热管的应用程序(11]。Daghigh和赞迪进行了一项实验研究使用纳米流体热管太阳能集热器。在他们的研究中,他们使用水作为主要的流体和措,TiO₂,MWCNT纳米颗粒。作为一个实验的结果,确定nanofluid的使用提供了一个更好的热性能比水的使用。与水相比,MWCNT,措,TiO₂纳米流体可以表现得更好了25%,12%,8月份的5%,25%,15%,和7%,分别在10月12]。大师等人研究了实验的影响在热管使用nanofluid含有膨润土。纳米流体的粒子比率用于实验研究了通过改变0.5%,2%,4%的质量。效率最高的热管与增长了37%达到200 W热力参数和5 g / s冷却水质量流量(13]。Sozen等人研究了利用粉煤灰和氧化铝纳米流体两相闭式热虹吸管热管的性能进行评估。在他们的研究中,他们使用SiO等各种含金属氧化物纳米颗粒₂,TiO₂,艾尔。₂O₃、铁₂O₃曹,分别获得Yatağan热电厂的气旋。实验在三个不同的加热能力(200 W、300 W和400 W)和三种不同的冷却液流率(5克/秒,7.5 g / s,和10 g / s)。已经确定使用400 W nanofluid代替水加热功率和5 g / s提供冷却水流量减少30.1%的耐热性(14]。·西等人的影响进行了实验研究,确定使用一个包含TiO nanofluid₂在热管系统改进。为此,实验中使用的纳米粒子与2%的纯净水和nanofluid混合是由两步方法。实验的结果在不同的加热功率和质量流量值,他们发现最高热性能的改善是16.5%在200 W功率5 g / s (15]。Cakır使用体积的2%₂O₃(氧化铝)纳米颗粒在热虹吸管式热管在书房。研究者使用3种不同水流在冷凝器部分实验,进行实验在两个不同的角度给三种不同热输入在蒸发器的部分。实验的结果,确定使用的nanofluid 500 W热量输入为0.0075公斤/ s质量流量和75°热管边坡提供效率提高35.7%16]。砌墙泥等人研究的工作条件和性能热虹吸管与serpentine-shaped热管太阳能集热器。在实验研究中,他们使用0.05%、0.025和0.05%₂O₃nanofluid和表面活性剂。他们决定50°的角度不同坡角之间的最优值。由于他们的研究,他们发现使用nanofluid提供更好的性能比纯水(17]。Menlik等人产生体积分别以5% /水nanofluid通过直接合成使用Triton x - 100非离子表面活性剂在热管和使用它。热管的实验设置他们准备的,他们使用平铜管道的内径13毫米,壁厚2毫米和1毫米。由于他们的研究,他们发现,26%的改善实现热管性能在200 W发热量和7.5 g / s流(18]。Eidan等人使用acetone-based纳米流体来提高性能的玻璃管热管在他们的研究。在他们的研究中,他们决定不同的填充率(40% -50% -60% -70% -80%)和不同的收集器斜坡角度(30°-45°-60°)作为实验参数。由于他们的研究和实验,确定最佳性能值填充率和70%在45°角度(19]。Ozturk等人进行了一项试验研究空气中的热量回收系统回收装置。他们在研究TiO纳米粒子用于提高性能。在实验研究中,他们33%的蒸发器工作流体。他们进行实验在5种不同冷却流量(40,42岁,45岁,61年,和84 g / s)和两种不同的加热功率(3千瓦和6千瓦)和25°C到90°C。结果,他们发现50%的性能提高3 k W热力,84 g / s冷却气流,和热回收系统使用TiO nanofluid [20.]。Sozen等人使用水斜发沸石作为工作流体和开展他们的研究在不同的工作条件检查热管的性能实验和数值。使用水斜发沸石nanofluid作为工作流体,这是确定的最大传热增加和提高耐热性的热管分别为9.63%和26.31%,分别。除了实验研究人员所做的研究,采用计算流体动力学的计算已经证实,它已被确定,实验和数值数据在和谐21]。通等人研究了使用性能₂O₃和措纳米流体作为工作流体在平板太阳能集热器。他们发现,当使用₂O₃nanofluid与水相比,效率高21.9%。他们还使用纳米流体收集器的放能的效率评估。因此,他们决定,当使用1%₂O₃和0.5%措nanofluid、实现,分别增长了56.9%和49.6% (22]。Ozsoy和Corumlu合成银水纳米流体确定真空管太阳能集热器的热效率。他们决定此nanofluid的定义,它可以维持其稳定在很长一段时间里,通过x射线分数,扫描电子显微镜,紫外可见光谱,热物理的分析。由于他们的研究,他们发现使用银水nanofluid太阳能集热器的效率增加了20.7%到40%相比,纯净水(23]。苏等人进行了文献研究中使用nanofluid ETSCs。由于学业,他们主张认为,纳米流体将准备用硼纳米颗粒会对性能产生影响24]。赵等人合成了石墨烯/水nanofluid并进行了试验研究的热启动性能gravity-supported热管。各种石墨烯的浓度nanoplatelets(国民生产总值)测定在不同温度下在不同的分析,包括热物理的properties-thermal nanofluid的电导率和粘度。此外,基于作战评估一个热管的启动过程,太阳能gravity-assisted热力管道富含纳米流体的性能使用不同浓度的国民生产总值比较用水加热实验。结果表明,使用重量0.05%的石墨烯/ nanofluid代替水可能导致启动时间减少15.1%,10.7%在30和60 W进气加热条件下,分别为(25]。

从文献综述可以看出,研究评估范围内的被动热改善改善传热的最近的研究是针对使用nanometal氧化物增加液体的导热系数。在这种背景下,许多研究已经进行了如热管、热回收单位,利用热管换热器、冷却和加热应用。最大的特性,本研究有别于其他人是热管测试而不是单独的太阳能应用实验。因此,从太阳能获得的热量达到一个温度足以引起的相变热管蒸发器的工作流体,甚至这个温度会导致系统运行在较低的程度。为此,比较使用两种不同的纳米流体进行了实验分析。在这项研究中,艾尔的表演₂O₃——和TiO₂——纳米流体比较与纯水。

2。材料和方法

2.1。纳米流体的制备

纳米流体并不是一个简单的固液悬浮。它还应该提供以下特性26]:(我)准备悬挂应该是稳定的(2)聚集的粒子应该可以忽略不计(3)液体的化学性质不随时间变化

两种方法被用于nanofluid准备:(我)一步法

一步的方法是基于结合生产和纳米颗粒的分散过程nanofluid在一个单一的步骤。对于这个方法,化学湿法、真空蒸发法,和水下纳米颗粒合成方法被广泛使用。一步法,金属材料导热系数高和快速氧化是首选。这是因为金属纳米粒子合成的液体时,其接触空气是预防。然而,这种方法的一个缺点是,只有低蒸气压的液体是兼容的过程,这限制了它的使用(27]。(2)两步方法

在这种方法中,所需的纳米颗粒得到第一,然后,纳米颗粒分散到基本流体的方式保持它的稳定性和均匀性(28]。磁力搅拌器、超声波水浴锅或均质器是用来确保均匀分布。高表面积和表面活性往往聚集在纳米粒子。在两步方法,表面活性剂用于增加稳定和防止结块。两步方法是最常用的方法制备纳米流体因其生产成本低、易于操作,由于工业生产的纳米粒子29日]。此外,该方法有更高的商业化潜力,因为它可以产生大量的纳米流体。

的基础方法被称为一步法,纳米颗粒生产液体。悬浮粒子的两步方法是方法基本流体使用适当的方法。艾尔₂O₃和TiO₂本研究中使用的纳米流体由两步方法。在文献中,有三个方法用于暂停纳米粒子为基本的流体(30.]。

2.1.1。改变悬架的pH值

纳米流体的pH值与纳米颗粒的表面,和pH值变化可以强烈提高不稳定的纳米粒子的稳定性(31日]。这是因为nanofluid的稳定性直接关系到其动电的特性。因此,可以增加或减少电动电势nanofluid的pH值的变化。nanofluid的pH值可以通过添加一个合适的不反应的增加或减少碱性或酸性溶液32]。

2.1.2。使用表面活化剂或稀释剂

nanofluid的稳定性取决于纳米粒子的类型和基本流体使用。纳米颗粒可以疏水或亲水,和基本的流体可以是极性还是非极性。亲水纳米粒子如氧化物纳米颗粒很容易分散在极性等基本液体水,和碳纳米管等疏水性纳米粒子可以分散在非极性等基本液体油不需要第三个组件。然而,需要添加表面活性剂稳定的纳米流体如果疏水纳米颗粒分散在极性基本流体在非极性和亲水性纳米颗粒基本液体。表面活性剂作为纳米粒子和基本流体之间的桥梁,提供连续性[33,34]。

2.1.3。应用超声波振动粒子

超声混合过程,这是一个基于超声波的使用物理方法在液体,用于增加的稳定性nanofluid打破重力纳米颗粒的沉淀。有两种类型的超声发生器:探测类型和浴类型。根据研究声波降解法的时间不尽相同。然而,声波降解法优化因为声波降解法时间的增加可以减少纳米颗粒的大小。长期声波降解法还可以损害表面活性剂在纳米流体(34]。

美联₂O₃和TiO₂纳米流体实验中使用商用(Nanography纳米技术),和他们的平均尺寸是18海里和38海里,分别。得到了纳米流体的混合₂O₃和TiO₂纳米粒子与2%(质量/质量)蒸馏水。2%的混合比是首选,因为它是最优比我们以前所取得的热管工作(13- - - - - -15,21]。而在每个热管真空是由真空泵,这样没有空气,添加了热管工作流体入口端。最佳热管蒸发器的工作流体量1/3区体积(13- - - - - -15]。为了防止肿块从块状纳米颗粒的混合物,0.2%质量Triton x - 100表面活性剂添加到混合物,在超声波浴连续振动(图10小时1)。在这个过程中,定期的超声波浴冷却以防止蒸发表面活性剂由于超声波浴温度的增加。在这项研究中使用的纳米颗粒的性质给出了表1。

的技术属性中使用的设备中使用的纳米流体的制备研究给出了表2。

使用纯水和纳米流体的热物理性质实验给出了表3。

2.2。实验设置

热管太阳能集热器的主要目的(HPSCs)携带冷凝器蒸发器的太阳辐射区域面积最少的损失。视觉包括一个基本的热管的基本工作原理是呈现在图2。实验中使用的热管是由长1000毫米,直径8毫米内。和10毫米外径铜管道。较低的500毫米热管蒸发器地区的一部分,中间部分是100毫米绝热区域,和上面的400毫米是冷凝器。总共有8热管太阳能集热器太阳能集热器。有一个柜部分热管通过冷凝器周围的地区。绝缘绝热区域使用的玻璃棉。蒸发器区是地区太阳辐射转移到热管。热管太阳能集热器的部分用于实验如图3、技术规格表4。实验进行了根据EN ISO 9806的要求36),这是参考文档来确定热太阳能集热器的性能。实验中使用的测量设备和它们的属性已经决定根据EN ISO 9806。来自太阳的辐射测量与sm - 206手持日射强度计模型。有热电偶连接点在进口和出口处标仓库测量的温度。T型热电偶,温度读取ORDEL-UDL 200数据记录器和转移到电脑ORDEL SBA 200数据采集卡和分析在计算机环境中与dali485软件。LZS-15流量计用于测量液体的流速进入油箱。LZS-15流量计(±4%)用于流量测量。

实验分两个阶段进行调查的影响纳米流体热管太阳能集热器的热效率。实验用纯净水,第一部分和第二部分与纳米流体做准备。实验进行的(2019年)9月,纬度39°4131.3北和经度42°5922.2东坐标易卜拉欣车臣大学职业学校(Ağrı、土耳其)在花园里。实验进行了上午9点至17点,一位收藏家70°倾角,期间与太阳光束垂直于集电极表面实验。给出了实验装置图4。

图中给出了系统的原理图5为更好的理解的实验和使用的设备的连接点。

流量计用于控制水系统中循环单位平方米0.02公斤/ s (29日安装如图6。

用来衡量全球辐射的日射强度计放置如图7。任何实验开始前,日射强度计安装在这样一种方式,它是一样的收集器倾角和度量。日射强度计用于测量的技术特点给出了表5。

2.3。不确定性分析

问麦克林托克克莱恩和提出的方法应用于确定实验参数的不确定性。

被定义为一个独立变量的不确定性。在这种情况下,给出在方程(2)给整个系统的不确定性。根据这种方法,是由于系统和功能来衡量吗 , , 独立变量影响吗值(38]。

在这种情况下,

的不确定性参数(温度、辐射、流量和数据记录仪)在这项研究基于表中给出的参数计算6,表明实验数据的不确定性是在可接受的范围之内的。

2.4。理论分析

为了评价热管太阳能集热器的热性能,在开放实验的设置中,来自太阳的能量被转移到收集器从太阳吸收板表面。能量转移到液体表示为瞬时功率。在进行实验研究和性能的计算,是按照EN ISO 9806标准执行。遵循的主要标准进行实验时根据EN ISO 9806标准提出了如下:(我)它应该是一个开放的氛围(万里无云的)(2)辐射应该超过700 W / m²

热管的热量转移冷凝器地区移动液体槽,所以冷的液体加热。的进口和出口温差热液流体收到冷凝器面积等于产品的流体的质量流量和流体的平均比热容值。这个方程给出了方程(3)。

在上面的方程中,是热转移到工作流体通过坦克单位时间,( )是水的流速进入坦克(公斤/ s),是进入水箱的平均比热(j /公斤·°C),是进入水箱的温度(°C),然后呢是离开了水箱的温度(°C)。

的循环水箱的流量是根据以下方程来计算根据EN ISO 9806:

瞬时性能( )计算收集器的热量之比( )转移到工作液经过辐照的坦克值( )收集器的开放区域(39]。

安排可以通过编写辐照值( )在下降的开放区域收集器在方程(5) 。在这里, 收藏家和开放区域的吗是辐射强度。

在这项研究中,在评估结果,降低温差,即时收集器的性能和功率输出每瞬间温差。减少温差( )是定义如下29日]:

在方程(7),是指环境温度(°C);在方程(8),指的是工作流体平均温度(°C)。

3所示。结果和讨论

测量实验表演的热管太阳能集热器测试使用纯水,₂O₃——,TiO₂——前景给出数据8,9,10。数据每隔5分钟。在图8的平均环境温度的实验与纯水测量25.98°C。由于我们的实验装置是一个开放系统,水箱进气温度变化取决于水的温度来自网络和连接的距离。看到的是存储出口水温( )上升到15.00,减少。看到这种减少是由于减少辐射。

在图9一天的平均环境温度的实验基地₂O₃——nanofluid测量为26.28°C。看到的是存储出口水温( )这一次后上升到16:00时,减少。太阳辐照度测量值在最高价值观12:00到下午两点。然后,辐射开始下降。与之平行的减少,水出口温度开始降低。

在图10一天的平均环境温度的实验是TiO使用₂——nanofluid测量为25.83°C。看到的是存储出口水温( )这次上升到14:00后,减少了。然后,辐射开始下降。与之平行的减少,水出口温度开始降低。

应用程序中的性能数据获得EN ISO 9806 (29日)标准曲线拟合的2 nd-degree曲线按照给出的测试条件,曲线拟合应2 nd-degree曲线。如上所述,根据条件的系数在方程是负的,曲线拟合二次曲线。在这里,术语是 值表示 - - - - - -轴的曲线。图11显示了纯净水,效率图₂O₃——,TiO₂——纳米流体。看图表,纯水的瞬时效率最高是48%,58%₂O₃——nanofluid, TiO为64%₂——nanofluid。根据这些数据,₂O₃——nanofluid混合物提供了20.8%比纯水更高的性能;这是观察到TiO₂——混合提供了33.3%更高的性能比纯水和9.375%更高的性能₂O₃——nanofluid混合物。当进行曲线拟合图中的数据,纯水的方程获得了48.178%的最大效率降低温度的0.0092815²与精度为0.9917°C / W₂O₃——nanofluid 精度为0.02233 m²°C / W在66.99%的最大效率,降低温度和TiO₂——nanofluid与 精度最高的0.00755米²°C / W效率被确定为73.5775%。虽然TiO₂——nanofluid达到最大效率值在较低温度,减少₂O₃——nanofluid达到最大效率值在更广泛的范围。

图12显示了纯净水,功率输出的图像₂O₃——,TiO₂——纳米流体。看图表,最高功率输出为135.66 W纯净水,167.96 W₂O₃TiO——nanofluid和184.03 W₂——nanofluid。根据这些数据,艾尔₂O₃——nanofluid混合物比纯水高23.8%;它已被观察到TiO₂——混合提供了35.6%更高的性能比纯水和9.567%更高的性能₂O₃——nanofluid混合物。当进行曲线拟合图中的数据,纯水的方程获得 精度为9.5634°C的瞬时温差135.024 W;为艾尔₂O₃——nanofluid, 准确确定为21.7918°C瞬时temperature-aware最高功率186.590 W;和TiO₂——nanofluid, 精度确定为11.7246°C瞬时temperature-aware最高功率208.374 W。虽然TiO的瞬时温差₂——nanofluid达到最大功率值为11.7246°C,它是观察到的瞬时温差₂O₃——nanofluid达到最大功率值21.7918°C。

4所示。结果

在这项研究中,工作液体的影响热管太阳能集热器的性能实验研究。在这项研究中,纯净水,₂O₃——nanofluid, TiO₂——前景作为工作流体。实验给出的结果如下:(我)热性能比较的基础上获得的数据,从TiO获得最大的性能₂——nanofluid紧随其后₂O₃分别——nanofluid和纯净水。虽然TiO₂——nanofluid混合物纯净水相比提高了33.3%,这是观察到的₂O₃——nanofluid混合物纯净水相比提高了20.8%。这是TiO的决定₂——nanofluid混合物对艾尔热性能提高9.375%₂O₃——nanofluid混合物(2)功率输出数据即时温差时检查,这是看到的结果改变热力性能值成正比。输出功率的变化/即时TiO的温度被认为₂——nanofluid混合物纯净水相比提高了35.6%,而艾尔₂O₃——nanofluid混合物纯净水相比提高了23.8%。美联₂O₃——nanofluid TiO的混合物₂——nanofluid混合物有改善输出功率/即时温差的9.567%

符号

:	瞬时功率(W)
:	质量流量(公斤/小时)
:	比热容(J / kgK)
:	液罐的出口和入口温度的区别(K)
:	收集器总面积(m2)
:	瞬时热效率
:	发光强度(W / m2)
:	流体平均温度(K)
:	减少温差在水平轴(m2K / W)
:	罐入口水温(K)
:	坦克出口水温(K)
:	室外温度(K)
H2O:	水
艾尔2O3:	氧化铝(氧化铝)
TiO2:	二氧化钛
W:	总不确定性。

缩写

HPSC:	热管太阳能集热器
谢霆锋:	土耳其标准机构
ISO:	国际标准化组织
ETSCs:	真空管太阳能集热器。

数据可用性

数据将根据要求提供。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。