石墨烯纳米流体热管式太阳能集热器热性能实验研究

摘要

太阳能是一种清洁、高效的能源，在太阳能利用领域商业化程度最高、推广最普遍的是太阳能光热利用。热管式太阳能集热器作为太阳能热利用装置的一种常见形式，其用作热量传输的核心部件为太阳能重力热管。由于太阳辐射存在热流密度波动大以及低热流密度的特点，要求热管必须具备优异的运行启动特性。
　　本文提出并研究了一种石墨烯纳米流体热管式太阳能集热器。通过向去离子水中添加石墨烯纳米颗粒制备水基石墨烯纳米流体，用作太阳能重力热管的热管工质，改善太阳能重力热管的启动性能与运行特性。在对石墨烯纳米流体太阳能重力热管运行启动特性研究的基础上，探究石墨烯纳米流体太阳能重力热管用于热管式太阳能集热器的实际运行性能。本文所做工作主要包括以下几个方面:
　　1)纳米流体的制备、稳定性及热物性研究。配制了四种不同质量浓度的水基石墨烯纳米流体，利用分光度计法探究了分散剂添加量对纳米流体稳定性的影响，获取了制备石墨烯纳米流体最佳的分散剂添加量。实验测试了纳米流体的导热系数、粘度、接触角等热物性，并分析了添加纳米颗粒强化基液导热系数的机理。最后结合重力热管的运行特性，耦合分析了导热系数和粘度对热管传热性能的影响，并结合纳米流体的分散稳定性，理论上确定了用作重力热管工质的适宜的纳米流体浓度范围。
　　2)纳米流体太阳能重力热管运行启动特性。首先对制作完成的热管进行热管等温性测试，确保其符合实验要求，在热管等温性测试中分析了热管充液量对热管运行启动的影响，确定了适宜的热管工质充液量。通过热管壁温分布实验，达到了“可视化”研究太阳能重力热管的启动过程，模拟太阳能重力热管用于太阳能集热器的实际工作状况，对不同加热功率、不同循环水温、不同倾角下的太阳能重力热管的启动特性做了细致的研究。最后通过热管传热性能对比实验，同时对比研究了不同石墨烯质量浓度的纳米流体热管运行启动性能。
　　3)搭建了两种不同热管形式的真空管太阳能集热器实验台。将石墨烯纳米流体太阳能重力热管用于真空管太阳能集热器，实验研究了这种新的热管形式的真空管太阳能集热器的集热性能，并以去离子水热管式真空管集热器为对照。
　　4)在分析热管式真空玻璃管实验台合理性的基础上，搭建了分别应用石墨烯纳米流体热管与去离子水热管的两种热管式平板太阳能集热器实验台。首先对实验系统运行测试，然后开展了两种集热器的并联运行实验，对比分析了这两种集热器的集热性能，并对两种平板集热器的吸热板板温分布进行了分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 纳米流体的稳定性与热物性研究

1．2．2 纳米流体热管传热性能研究

1．2．3 热管式太阳能集热器研究

1．3 本文研究的内容

第二章 石墨烯纳米流体分散稳定性与热物性研究

2．1 石墨烯纳米流体的制备

2．1．1 纳米流制备方法的选择

2．1．2 不同PVP添加量的石墨烯纳米流体制备

2．2 石墨烯纳米流体稳定性分析

2．3 石墨烯纳米流体的导热系数

2．3．1 导热系数的测量与分析

2．3．2 石墨烯强化基液导热系数的机理分析

2．4 石墨烯纳米流体的粘度

2．5 石墨烯纳米流体的润湿性

2．6 石墨烯纳米流体导热系数与粘度的耦合分析

2．7 本章小结

第三章 石墨烯纳米流体太阳能重力热管传热性能实验研究

3．1 太阳能重力热管简介

3．2 太阳能重力热管制作和热管工质

3．2．1 热管制作

3．2．2 热管工质

3．3 太阳能重力热管等温性测试

3．3．1 热管等温性测试实验台构造

3．3．2 热管等温性测试结果分析

3．4 太阳能重力热管壁温分布实验

3．4．1 热管壁温分布实验台构造

3．4．2 热管壁温分布实验结果与分析

3．5 石墨烯纳米流体太阳能重力热管传热性能对比实验

3．5．1 热管传热性能对比实验台构造

3．5．2 热管传热性能对比实验结果分析

3．6 本章小结

第四章 纳米流体热管式真空管太阳能集热器热性能研究

4．1 实验系统介绍

4．1．1 实验装置介绍

4．1．2 实验测量方法及实验仪器

4．2 实验结果及分析

4．3 实验测量误差分析

4．4 本章小结

第五章 纳米流体热管式平板太阳能集热器热性能研究

5．1 实验系统介绍

5．1．1 实验装置介绍

5．1．2 实验测量方法及测量仪器

5．2 实验结果与分析

5．2．1 单独运行实验结果与分析

5．2．2 并联运行对比实验结果与分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来研究工作展望

参考文献

硕士期间发表论文及其他成果

致谢