纳米流体对太阳辐射的吸收特性及集热适用性研究

摘要

由于纳米颗粒的存在，纳米流体表现出不同于基液的辐射吸收特性和热传输性能，成为一种新型高效的太阳能辐射吸收材料。本研究提出并探讨了一种采用无吸收涂层集热管，以导热油为基液的纳米流体直接作为吸热和载热工质的太阳能集热系统。
　　首先，采用分光光度计测试了添加不同纳米颗粒和质量分数的导热油基液纳米流体的光谱透射率和消光系数，进而研究了质量分数和颗粒种类对纳米流体全光谱辐射吸收特性的影响。结合积分球部件，测试得到了不同质量分数的导热油/CuO纳米流体的吸光系数，分析了纳米颗粒的散射作用对流体吸收特性的影响。结果表明:与基液相比，纳米流体对太阳辐射的强化吸收效果显著，纳米颗粒的质量分数越大，其吸光效果越好。
　　其次，建立了纳米流体直接吸收集热(NDASC)与采用吸收涂层集热管的传统间接吸收集热(IASC)的传热数学模型，通过数值模拟对这两种集热方式在不同工况下的集热性能进行了对比分析，并结合集热实验测试，得到了该新型NDASC的适宜集热温度范围。结果表明:NDASC在不同太阳辐照强度、环境温度等运行工况下，分别对应存在一个集热效率高于相同结构的IASC的最大工作温度，即效率转折温度;聚光比和太阳辐照强度越高，效率转折温度越大，即NDASC适宜的工作温度越高。
　　再次，研究了热管式与U型管式两种结构的NDASC的集热性能。分别建立了二者的传热数学模型，利用CFD模拟比较了不同集热器结构、太阳辐照强度对NDASC内流体温度分布特性的影响。结果表明:与IASC相比，相同结构尺寸的NDASC具有更高的管内中心主流温度和集热效率;随着太阳辐照强度和管径的增大，热管式NDASC和U型管式NDASC的集热效率升高。并且，搭建了热管式NDASC太阳能集热实验系统并与热管式IASC装置进行对比测试。实验结果表明:与热管式IASC相比，热管式NDASC的集热效率提高了20.4％。
　　最后，以U型管式NDASC作为热泵蒸发器，提出了一种基于NDASC的太阳能热泵系统。建立了热泵系统的动态数学模型，模拟分析了该热泵系统在循环加热水过程中各参数的变化规律，并与基于IASC的太阳能热泵系统进行对比。结果表明:基于NDASC的太阳能热泵系统的平均COP比基于IASC的太阳能热泵系统提高了18.3％。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 太阳能热利用的意义

1．1．2 常规太阳能集热装置存在的问题

1．1．3 直接吸收式太阳能集热方法

1．2 国内外研究现状

1．2．1 纳米流体的制备及稳定性研究

1．2．2 纳米流体辐射吸收特性研究

1．2．3 以纳米流体为工质的太阳能集热器性能研究

1．3 本研究的主要内容

第二章 纳米流体的辐射吸收特性与有效热导率分析

2．1 纳米流体辐射吸收特性

2．1．1 纳米颗粒的辐射特性

2．1．2 纳米流体的辐射特性

2．2 纳米流体的光谱消光系数

2．2．1 纳米流体吸光系数和消光系数的测量

2．2．2 添加不同纳米颗粒对导热油光谱消光系数的影响

2．2．3 添加质量分数对纳米流体光谱消光系数的影响

2．3 纳米颗粒的散射作用与吸光系数

2．4 纳米流体有效热导率的计算

2．5 本章小结

第三章 纳米流体直接吸收太阳能集热的适宜温度分析

3．1 纳米流体直接吸收太阳能集热(NDASC)的工作原理

3．2 NDASC和IASC的集热数学模型

3．2．1 NDASC的集热数学模型

3．2．2 IASC的集热数学模型

3．3 适宜温度的模拟与实验研究

3．3．1 模拟算法

3．3．2 非聚光工况下NDASC与IASC集热特性对比

3．3．3 聚光工况下NDASC与IASC集热特性对比

3．4 NDASC适宜温度影响因素的分析

3．4．1 不同太阳辐照强度的影响

3．4．2 不同聚光比的影响

3．4．3 不同流速的影响

3．5 本章小结

第四章 热管式和U型管式纳米流体直接吸收太阳能集热器的性能模拟

4．1 热管式纳米流体直接吸收太阳能集热器的性能模拟

4．1．1 热管式NDASC结构与工作原理

4．1．2 热管式NDASC管内传热模型

4．1．3 热管式NDASC管内流体温度分布和集热特性

4．2 U型管式纳米流体直接吸收太阳能集热器的性能模拟

4．2．1 U型管式NDASC结构与管内传热模型

4．2．2 U型管式NDASC管内流体温度分布和集热特性

4．3 本章小结

第五章 热管式纳米流体直接吸收太阳能集热器的实验研究

5．1 热管式NDASC的实验系统介绍

5．1．1 实验装置介绍

5．1．2 实验测量方法及实验仪器

5．1．3 系统热性能的测试方法

5．2 热管式NDASC集热性能的实验结果及分析

5．3 本章小结

第六章 基于NDASC的太阳能热泵系统的适用性研究

6．1 基于NDASC的太阳能热泵系统的工作原理

6．2 基于NDASC的太阳能热泵系统数学模型

6．2．1 太阳能集热器的数学模型

6．2．2 冷凝器的数学模型

6．2．3 压缩机的数学模型

6．2．4 系统热力循环的数学模型

6．2．5 循环水侧的数学模型

6．2．6 模拟算法

6．3 基于NDASC的太阳能热泵系统性能模拟

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 未来研究工作展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文及其他成果