Наножидкости в солнечных коллекторах - Nanofluids in solar collectors

Прямые солнечные коллекторы на основе наножидкости находятся солнечные тепловые коллекторы куда наночастицы в жидкой среде может разлетаться и впитывать солнечная радиация. Недавно они проявили интерес к эффективному распространению солнечная энергия. Нанофлюид солнечный коллектор может более эффективно использовать энергию солнечного излучения по сравнению с обычными солнечные коллекторы.^{[1][2][3][4][5][6]}Наножидкости недавно нашли применение в приложениях, требующих быстрой и эффективной теплопередачи, таких как промышленные применения, охлаждение микрочипов, микроскопические жидкостные приложения и т. Д. Более того, в отличие от традиционных теплопередач (для солнечных тепловых приложений), таких как вода, этиленгликоль и расплав соли, наножидкости непрозрачны для солнечной лучистой энергии; вместо этого они поглощают и значительно рассеивают солнечное излучение, проходящее через них.^[7]Типичные солнечные коллекторы используют поглотитель с черной поверхностью для сбора солнечной тепловой энергии, которая затем передается в жидкость работает в трубках, встроенных внутрь. В этой конфигурации были обнаружены различные ограничения и рассмотрены альтернативные концепции. Среди них предметом исследований является использование суспендированных в жидкости наночастиц. Материалы наночастиц, включая алюминий,^[8] медь,^[9] углеродные нанотрубки^[10] и углеродные наногорны были добавлены к различным базовым жидкостям и охарактеризованы с точки зрения их характеристик для повышения эффективности теплопередачи.^[11]

Фон

Рис.1: Различные типы геометрии солнечного коллектора

Рис 2: Сравнение коэффициентов теплопередачи

Диспергирование следовых количеств наночастиц в обычных базовых жидкостях оказывает значительное влияние на оптический^[12] а также теплофизические свойства основы жидкость. Эта характеристика может использоваться для эффективного захвата и транспортировки солнечная радиация. Повышение способности поглощать солнечное излучение приводит к более высокой теплопередаче, что приводит к повышению эффективности теплопередача как показано на рисунке 2. эффективность солнечной тепловой система зависит от нескольких энергия шаги конверсии, которые, в свою очередь, регулируются эффективностью теплопередача процессы. Хотя выше конверсия эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую, ключевыми компонентами, которые необходимо улучшить, являются солнечный коллектор. Идеальный солнечный коллектор поглотит концентрированное солнечное излучение, преобразует падающее солнечное излучение в тепло и передаст тепло теплоносителю. Чем выше теплопередача жидкости, тем выше температура на выходе и выше температура, что приводит к повышению эффективности преобразования в цикл питания.наночастицы на несколько порядков выше коэффициент теплопередачи при передаче тепла непосредственно окружающей среде. Это просто из-за небольшого размера наночастица.

Теплопроводность наножидкостей

Рис 3: Теплопроводность различных материалов

Мы знаем это теплопроводность из твердые вещества больше, чем жидкости. Обычно используется жидкости в теплопередача такие приложения, как воды, этиленгликоль и машинное масло иметь низкий теплопроводность по сравнению с теплопроводностью твердых тел, особенно металлы. Таким образом, добавление твердых частиц в жидкость может увеличить проводимость жидкости, но мы не можем добавить крупные твердые частицы из-за основных проблем:

• Смеси неустойчивы и, следовательно, осаждение происходит.
• Наличие крупных твердых частиц также требует большой мощности откачки и, следовательно, увеличения стоимости.
• Твердый частицы могут также разъедать стенки канала.

Из-за этих недостатков использование твердых частиц стало практически неосуществимым. Недавние усовершенствования нанотехнологий позволили вводить мелкие твердые частицы с диаметр менее 10 нм. Полученные таким образом жидкости имеют более высокую теплопроводность и известны как Наножидкости. Как хорошо видно из рисунка 4, углеродные нанотрубки имеют самый высокий теплопроводность по сравнению с другими материалами.

Оксид цинка-вода, размер частиц 10 и 30 нм при 40 Цельсия.

Модель Maxwel

${\displaystyle k_{nf}=k_{bf}{\Biggl (}{\frac {k_{p}+2k_{bf}+2\varnothing (k_{p}-k_{bf})}{\ k_{p}+2k_{bf}-\varnothing (k_{p}-k_{bf})}}{\Biggr )}}$

Пак и Чой модель^[13]

${\displaystyle k_{nf}=k_{bf}(1+7.47\varnothing )}$

Модель Ку и Кляйнштройер^[14]

${\displaystyle k_{nf}=k_{bf}{\Biggl (}{\frac {k_{p}+2k_{bf}+2\varnothing (k_{p}-k_{bf})}{\ k_{p}+2k_{bf}-\varnothing (k_{p}-k_{bf})}}{\Biggr )}+5000\theta \rho _{bf}C_{pbf}{\sqrt {\frac {K_{B}T}{\rho _{p}d_{p}}}}}$

Удаваттха и модель Нараяны^[15]

${\displaystyle k_{nf}=k_{bf}{\Biggl (}1+{\frac {3\varnothing _{e}(k_{p}-k_{bf})}{\ k_{p}+2k_{bf}-\varnothing _{e}(k_{p}-k_{bf})}}{\Biggr )}+{\frac {5\rho _{bf}(\varnothing ^{0.0009T+0.25})C_{pbf}k_{p}d_{p}V_{B}}{\mu _{bf}}}{\sqrt {\frac {\pi }{18}}}}$

${\displaystyle V_{B}={\sqrt {\frac {18K_{B}T}{\pi \rho _{p}{d_{p}}^{3}}}}}$

${\displaystyle \varnothing _{e}=\varnothing {{\Biggl (}1+{\frac {h}{r}}{\Biggr )}}^{3}}$

куда

${\displaystyle k}$ это теплопроводность образца, в [W ·м⁻¹·K⁻¹]

${\displaystyle nf}$ это наножидкость

${\displaystyle bf}$ базовая жидкость

${\displaystyle p}$ это частица

${\displaystyle \varnothing }$ объемная доля

${\displaystyle \rho }$ - плотность образца, дюйм [кг ·м⁻³]

${\displaystyle C_{p}}$ - удельная теплоемкость образца, [Дж ·кг⁻¹·K⁻¹ ]

${\displaystyle K_{B}}$ постоянная Больцмана

${\displaystyle T}$ - температура образца, в [К]

${\displaystyle d_{p}}$ диаметр частицы

${\displaystyle h}$ толщина нанослоя (1 нм)

${\displaystyle r}$ это радиус частицы

Механизм повышения теплопроводности наножидкостей

Кеблински и др.^[16] назвал четыре основных возможных механизма аномального увеличения теплопередачи наножидкостей, а именно:

Броуновское движение наночастиц

Из-за броуновского движения частицы беспорядочно перемещаются в жидкости. И, следовательно, лучший перенос тепла. Хотя первоначально считалось, что движения жидкости, возникающие в результате броуновского движения наночастиц, могут объяснить улучшение свойств теплопередачи, эта гипотеза позже была отвергнута.

Наслоение жидкости на границе раздела жидкость / частицы

Молекулы жидкости могут образовывать слой вокруг твердых частиц и, таким образом, увеличивать локальное упорядочение атомной структуры в области границы раздела. Следовательно, атомная структура такого жидкого слоя более упорядочена, чем у объемной жидкости.

Эффект кластеризации наночастиц

Эффективный объем кластер считается намного больше, чем объем частиц из-за более низкого фракция упаковки кластера. Поскольку тепло может быстро передаваться внутри таких кластеров, объемная доля очень проводящий фаза больше, чем объем твердого тела, что увеличивает его теплопроводность

Сравнение

За последние десять лет было проведено множество экспериментов численно и аналитически, чтобы подтвердить важность наножидкостей.

Таблица 1: Сравнение обычных жидкостей и наножидкостей

Из таблицы 1^[13] Понятно, что коллектор на основе наножидкости имеет более высокий КПД, чем традиционный коллектор. Итак, очевидно, что мы можем улучшить обычный коллектор, просто добавив следовые количества наночастиц. числовой симуляция, которая означает выход температура увеличиваются за счет увеличения объемной доли наночастиц, длины трубки и уменьшаются за счет уменьшения скорости.^[13]

Преимущества использования наножидкостей в солнечных коллекторах

Наножидкости обладают следующими преимуществами по сравнению с обычными жидкостями, что делает их пригодными для использования в солнечных коллекторах:

• Поглощение солнечной энергии будет максимальным с изменением размера, формы, материала и объемная доля наночастиц.
• Взвешенные наночастицы увеличивают площадь поверхности но уменьшить теплоемкость жидкости из-за очень маленького размера частиц.
• Взвешенные наночастицы увеличивают теплопроводность, что приводит к повышению эффективности систем теплопередачи.
• Свойства жидкости можно изменить, варьируя концентрация наночастиц.
• Чрезвычайно малый размер наночастиц в идеале позволяет им проходить через насосы.
• Нанофлюид может быть оптически селективным (высокое поглощение в солнечном диапазоне и низкое эмиссия в инфракрасный.)

Принципиальное отличие обычного коллектора от коллектора на основе наножидкости заключается в режиме нагрева рабочего тела. В первом случае солнечный свет поглощается поверхностью, тогда как во втором случае солнечный свет непосредственно поглощается рабочей жидкостью (через перенос излучения ). Достигнув приемника, солнечное излучение передается энергия к наножидкость через рассеяние и поглощение.

Смотрите также

• Нанофлюид
• Абсорбция
• Жидкость
• Радиация
• Рассеяние
• Солнечный коллектор
• Солнечная энергия

Рекомендации

1. Тейлор, Роберт А .; Отаникар, Тодд; Розенгартен, Гэри (2012). «Оптимизация оптических фильтров на основе наножидкостей для фотоэлектрических систем». Свет: наука и приложения. 1 (10): e34. Bibcode:2012LSA ..... 1E..34T. Дои:10.1038 / lsa.2012.34.
2. http://digitalcommons.lmu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1020&context=mech_fac
3. http://digitalcommons.lmu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1019&context=mech_fac
4. «Журнал прикладной физики».
5. Хуллар, Викрант; Тьяги, Химаншу; Хорди, Натан; Otanicar, Todd P .; и другие. (2014). «Сбор солнечной тепловой энергии с помощью систем объемной абсорбции на основе наножидкостей». Международный журнал тепломассообмена. 77: 377–384. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2014.05.023.
6. Амир Моради; Элиза Сани; Марко Симонетти; Франко Франчини; Элиодоро Кьяваццо и Пьетро Азинари (2015). «Наножидкости на основе углеродного нанорога для солнечных коллекторов прямого поглощения для гражданского применения (наножидкости углерод-нанорн)». Журнал нанонауки и нанотехнологий. 15 (5): 3488–3495. Дои:10.1166 / jnn.2015.9837. PMID  26504968.
7. Фелан, Патрик; Отаникар, Тодд; Тейлор, Роберт; Тяги, Химаншу (2013). "Тенденции и возможности солнечных тепловых коллекторов прямого поглощения". Журнал терминологии и инженерных приложений. 5 (2): 021003. Дои:10.1115/1.4023930.
8. Дуншэн Вэнь; Юлонг Дин (2005). «Экспериментальное исследование теплопередачи при кипении в водной среде наножидкостей γ-оксида алюминия». Журнал исследований наночастиц. 7 (2–3): 265–274. Bibcode:2005JNR ..... 7..265 Вт. Дои:10.1007 / s11051-005-3478-9.
9. Мин-Шэн Лю; Марк Чинг-Ченг Линь; C.Y. Цай; Чи-Чуан Ван (август 2006 г.). «Повышение теплопроводности с помощью Cu для наножидкостей с помощью метода химического восстановления». Международный журнал тепломассообмена. 49 (17–18): 3028–3033. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2006.02.012.
10. Дуншэн Вэнь и Юлонг Дин (2004). «Эффективная теплопроводность водных суспензий углеродных нанотрубок (углеродные нанотрубки наножидкости)». Журнал теплофизики и теплопередачи. 18 (4): 481–485. Дои:10.2514/1.9934.
11. Тейлор, Роберт А .; Фелан, Патрик Э. (ноябрь 2009 г.). «Бассейн кипячения наножидкостей: всесторонний обзор существующих данных и ограниченные новые данные». Международный журнал тепломассообмена. 52 (23–24): 5339–5347. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2009.06.040.
12. Тейлор Р.А., Фелан П.Е., Отаникар Т.П., Адриан Р., Прашер Р. (2011). «Определение оптических свойств наножидкости: к эффективным солнечным коллекторам прямого поглощения». Письма о наномасштабных исследованиях. 6 (1): 225. Bibcode:2011НРЛ ..... 6..225Т. Дои:10.1186 / 1556-276X-6-225. ЧВК  3211283. PMID  21711750.
13. Викрант Хуллар и Химаншу Тяги. «Применение наножидкостей в качестве рабочих жидкостей в концентрирующем параболическом коллекторе, Труды 37-й национальной конференции« Гидромеханика и энергия жидкости »16–18 декабря, IIT Madras».
14. Ку, Джунему; Кляйнштройер, Клемент (2004-12-01). «Новая модель теплопроводности для наножидкостей». Журнал исследований наночастиц. 6 (6): 577–588. Bibcode:2004JNR ..... 6..577K. Дои:10.1007 / s11051-004-3170-5. ISSN  1388-0764.
15. Udawattha, Dilan S .; Нараяна, Махинсаса (01.02.2018). «Разработка модели для прогнозирования эффективной теплопроводности наножидкостей: надежный подход для наножидкостей, содержащих сферические наночастицы». Журнал наножидкостей. 7 (1): 129–140. Дои:10.1166 / jon.2018.1428.
16. П.кеблински, К.С. Лонг, С.Янг. «Исследования теплопроводности и вязкости наножидкостей, Международный журнал термических наук (2006)».

дальнейшее чтение

• Сарит К. Дас; Стивен У. С. Чой; Вэньхуа Ю; Т. Прадип (1980-01-01), Наножидкости: наука и технологии, Вайли, ISBN  9780891165224
• Буонджорно, Дж. (Март 2006 г.). «Конвективный перенос в наножидкостях». Журнал теплопередачи. 128 (3): 240. Дои:10.1115/1.2150834.
• Какач, Садик; Anchasa Pramuanjaroenkij (2009). «Обзор улучшения конвективного теплообмена с помощью наножидкостей». Международный журнал тепломассообмена. 52 (13–14): 3187–3196. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2009.02.006.