脉动热管动态特性及其在太阳能集热中应用研究

发布时间：2020-10-22 07:00

　　 脉动热管(Pulsating Heat Pipe,PHP)是一种新型传热热管,具有结构简单、传热能力强的特点。脉动热管的启动过程是一个非稳态过程,启动特性对于脉动热管传热可靠性至关重要,通过实验研究了启动阶段和稳定运行阶段的动态特性,并根据实验数据和管内流型建立了在给定加热功率下的动态特性模型并计算了启动时间、启动温度和动态特性参数,为脉动热管从未启动阶段到稳定运行阶段的传热传质机理研究提供了基础。同时,对国内外学者将脉动热管应用于太阳能集热器的相关研究进行分析,发现将纳米流体作为集热器的工质可以有效提高集热器的性能。利用紫外分光光度计对碳纳米管、氧化石墨烯、富勒烯、纳米铜和纳米银五种纳米流体在200nm-2000nm波长范围内的透光率进行了测试,并研究了纳米流体的吸光特性,为将纳米流体作为集热器的集热工质提供了基础。基于此,实验研究了聚光式脉动热管太阳能集热器的动态特性和光热转换特性,根据实验数据对集热器的光热转换效率进行计算。得到的主要结果和结论如下:(1)搭建了脉动热管热性能实验系统,基于脉动热管在未启动阶段和稳定运行阶段的动态特性曲线,推导出了脉动热管在稳定运行阶段工质的动态特性。并利用时间常数τ和放大系数K定量描述了脉动热管的动态特性。结果表明:脉动热管在加热功率为160W时取得最小热阻和最小时间常数,分别为0.28℃/W和75。当脉动热管中的液态工质的量随加热功率的增加而减小时,纯工质的动态特性时间常数减小。(2)纳米颗粒可以使流体表现出良好的光学特性,并且纳米颗粒还存在吸收峰蓝移、红移以及吸收频带宽化现象,使其具备特殊的光吸收特性。研究结果发现:在水中添加纳米颗粒可明显降低透光率,纳米流体的透光率随着纳米流体浓度的增大而减小,其消光系数则是随着纳米流体浓度的增大而增大,且通过纳米流体在200nm-2000nm的透光率和消光系数可以得到适合的浓度,使其在太阳能集热应用中能有效改善光热转换效率。(3)搭建了聚光式脉动热管太阳能集热实验系统,并对集热特性进行了研究。结果表明:当工质同为HFE-7100时,聚光式脉动热管的启动特性和动态特性明显优于电加热脉动热管。碳纳米管-水纳米流体相比于HFE-7100,其时间常数和放大系数更小,动态特性更强。两种质量分数不同的碳纳米管-水纳米流体相比,质量分数更高的碳纳米管纳米流体展现出更强的动态特性。质量分数为0.0375wt%的碳纳米管-水纳米流体作为工质时具有更高的光热转换效率,最高可达83.64%。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK513.1
【部分图文】：

第 1 章 绪论1.1 研究背景能源消耗和环境污染是目前我们所面临的共同问题。在倡导保护环境的今天，可再生能源受到了普遍关注，可再生能源是取之不尽，用之不竭的能源，对环境基本无害。太阳能作为可再生能源的重要组成部分，其资源总量巨大,且太阳能资源在陆地和海洋均可开发利用，无需受到任何地域限制，是第三大可再生能源[1]。太阳能热利用就是将太阳能辐射能转化为热能再利用。我国太阳能资源极其丰富，各地年辐射值 3344MJ/m2-8400MJ/m2，平均值为5852MJ/m2。而且太阳能资源分布范围大（如图 1-1），西部地区由于地理位置等原因，太阳辐射量大，属一类地区，年辐射量最高可达 8400MJ/m2左右；其他地区的太阳辐射量也相当充足，属于二类、三类和四类地区，年辐射量为 4190MJ/m2-6680MJ/m2；四川、重庆等地受盆地原因的影响，属于五类地区，年辐射量最低为 3344MJ/m2左右。在国家大力支持推广的背景下，太阳能在很多领域的发展前景广阔。

第 1 章 绪论太阳能—电能，通过光生伏达效应把太阳辐射能转换为电能，比如太阳能电池。用就是将太阳辐射能最终转化成氢气的过程。光生物利用是将太阳能转化为生物程。太阳能低温热利用最广泛的是太阳能热水器等；中温热利用主要是太阳灶等热利用主要是高温太阳炉等（如图 1-2 所示）。而在太阳能中低温利用方面，太热器是实现光热转换的重要设备。　（a）太阳能热水器 （b）太阳房

Ahmadi A[7]等研究了石墨烯纳米流体对平板太阳能集热器热性能的影响，明：利用石墨烯纳米流体可以使集热器效率提高 18.87%。He Q[8]等研究了 Cu-H2流体对平板太阳能集热器效率的影响，结果表明：采用 Cu-H2O 纳米流体（250.102wt％）作为吸收介质，太阳能集热器的效率提高了 23.83％。郑兆志[9]等研同质量分数、粒径的 Cu-H2O 纳米流体和水对平板集热器效率的影响，结果表明分数较低的 Cu-H2O 纳米流体的集热效率明显提高，而质量分数较高的纳米流体效率略有降低。另一种基本的太阳能集热器是真空管集热器（如图 1-4 所示），真空管集热热性能受到倾斜角度、管间距和表面灰尘等[10-13]因素的影响，集热器的最优角根的改变而改变，根据月份调整可多增加 3%-15%的辐射量[14]。Collet 等[15]研究了和表面灰尘对真空管集热器集热效率的影响，合适管间距有助于提高集热效率，尘对集热效率的影响较大，最高可降低 40%左右。选择性吸收涂层是影响真空管集热器的主要因素，它在 300nm-2500nm 波段内对于太阳辐射光的吸收能力较5000nm-50000nm 波段内的吸收能力较弱[16]。杨秀[17]等研究了真空管太阳能集热对集热效率的影响，结果表明：集热效率随着集热器温度的升高而明显下降。
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本文编号：2851265