传统的平板太阳能热水器流道内充满液体, 容易发生流道腐蚀问题, 冬天易冻结且热损失大, 热转化效率低。环路热管太阳能热水系统将环路热管技术与太阳能集热器相结合, 平板集热器吸收太阳辐射为环路热管的蒸发端提供热量, 蒸发端内工质被加热蒸发, 通过蒸汽上升管道到达水箱, 经水箱盘管冷凝放热后通过液体回流管道回到蒸发端进行下一个循环。太阳能环路热管热水系统管内呈负压, 在一定的充液率内, 管内工质具有传热效率高、构造简单等优点, 消除了系统中可能出现的腐蚀、污垢和冻结等相关问题^[1]。

为了提高工质的导热系数, 往工质流体中加入固体颗粒物是一种有效增强导热系数的方法。文献[2]实验证明了纳米颗粒在液体中的高导热性。文献[3]研究发现, 与纯水系统相比, 纳米流体重力热管的热阻显著降低, 随着纳米流体浓度的增加, 热力性能有所下降。文献[4]研究表明, 纳米颗粒显著增强了重力热管的传热速率, 减小了热管的热阻。热管的主要热阻是由高传热率时壁面生成的气泡导致, 而纳米粒子在气泡的形成中倾向于轰击气泡, 纳米流体的气泡成核尺寸预计要小得多^[5], 因此纳米颗粒的加入显著降低了热管的总热阻。本文采用“两步法”制备铜(Cu)-水基纳米流体, 从水箱水温变化、瞬时光热效率等方面探讨了纳米流体的质量浓度对环路热管传热性能的影响, 并与去离子水系统进行了对比分析, 在实验条件下给出了强化传热的最佳纳米流体质量浓度。

纳米流体悬浮稳定性好, 传热特性好, 可以作为探究提高系统传热效率的工质之一。但纳米颗粒间极易发生团聚, 为阻止或减小颗粒间的团聚, 需要采用分散方法, 改变颗粒的分散性和表面润湿性, 使得纳米颗粒在基液中分散均匀稳定^[6]。

文献[7] 通过添加十二烷基苯磺酸钠(SDBS), 改变悬浮液的pH值和Cu纳米颗粒的质量浓度来研究纳米流体对导热系数的影响。本文采用二步法制备Cu-水基纳米流体, 采用平均粒径为10 nm的Cu纳米颗粒, 基液为去离子水, 表面活性剂采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS, 化学纯, 阴离子型)。实验过程需要的仪器设备有电子天平(WT-B型)、精密pH计(PHS-3C型pH计)、磁力加热搅拌器(NB-1A)、数控超声波清洗仪(BILON98-ⅢDL型)。具体操作流程为: 称取一定质量的Cu纳米颗粒、去离子水和SDBS分散剂, 将三者直接共混, 调节pH值在8.5~9.5;将混合好的纳米悬浮液置于磁力加热搅拌器上搅拌20 min; 将搅拌好的纳米悬浮液放在超声分散室内超声波分散2 h, 期间每20 min暂停1 min, 以防止纳米悬浮液温度过高。

基于环路热管的运行原理和太阳能光热系统的应用环境, 本文设计了一个太阳能环路热管热水系统。该系统由蒸发器、蒸汽管道、冷凝器和液体回流管道依次串联成一个闭合的环路系统。其中, 蒸发器为太阳能平板集热器, 冷凝器为盘管保温水箱, 蒸汽管道和回流管道皆为光滑铜管。为了降低蒸发器表面温度, 提高环路系统的传热效率, 整个环路系统在运行时为真空状态, 因此实验前应对系统进行抽真空处理, 再进行工作流体的充注过程。实验原理图如图 1所示。

由于环路热管的动力由汽水密度差提供, 所以冷凝段水箱安装必须高于集热器水箱底部。本实验的水箱高度距离地面1.4 m; 考虑到重力环路热管的冷凝液回流依靠重力作用以及对角度的影响, 该集热器的倾角设定为40°, 略高于上海的纬度。该实验平台搭于上海电力大学能机学院的5楼楼顶, 朝正南方向。重力环路热管中集热器的管路上出下进、左出右进, 以确保集热器内支管的管程一致、阻力相同。重力环路热管太阳能热水测试系统实验平台如图 2所示。

实验主要测量参数包括温度、压力、辐照等。

(1) 温度测量。采用型号为T型热电偶, 测量温度范围为-200~260 ℃, 测量精度为±0.2 K。分别对水箱水温、太阳能集热器进出口温度、环境温度等进行测量。由于盘管水箱内的水温普遍存在分层现象, 本实验在水箱内竖直方向上等距离分布6个测温点, 以求得水箱的平均水温。

(2) 压力测量。为了在较低温度下实现蒸发器内工质蒸发吸热, 太阳能环路热管系统需在运行中保持一个封闭的低压状态。实验中压力测量采用的是杭州联测自动化技术有限公司生产的型号为SIN-P300的高温压力传感器, 耐温150 ℃, 精度等级为0.5, 在重力环路热管的右上集管布置压力测试点。

(3) 辐照测量。太阳总辐照强度的测量使用的是阳光气象科技有限公司生产的TBQ-2太阳辐照仪, 与太阳能集热器平行放置, 其响应时间小于30 s, 稳定性为±2%, 测试精度＜2%。

(4) 数据收集。实验中的数据信息均通过Agilent 34970A数据采集仪统一采集并在电脑上记录, 采集的时间间隔为5 min。

文献[8-9]以R600a为传热工质, 研究了在不同充注量下重力环路热管的集热效率。实验结果表明, 系统在30%和50%的充注率(指工质体积与蒸发端体积之比)下, 系统的热效率基本在55%以上, 水温温升可达到30 K以上。

本实验选择的工质充注量为40%, 即需要的传热工质体积为620 mL, 研究不同浓度的Cu-水基纳米流体对重力环形热管热水系统性能的影响。5 min记录一次实验结果数据, 测试时间为当天的8:00-16:00。

重力环路热管太阳能热水系统一天的平均热效率η_t为

$ \eta_{\mathrm{t}}=\frac{C_{\mathrm{w}} M\left(T_{\mathrm{f}}-T_{\mathrm{i}}\right)}{H A} $

(1)

式中: C_w——水的比热容, J/(kg·K);

M——水箱中水的质量, kg;

T_i、T_f——一天内实验期间水箱的初温和末温, 实际以水箱内6个热电偶的平均值为计算值, K;

H——一天内实验期间照射到单位集热器面积的辐照总量, MJ;

A——太阳能平板集热器的实际面积。

因为不同天气情况会对系统热性能造成不同的影响, 所以通过在不同的天气情况下进行测试, 并对测试结果进行线性拟合, 得到的结果可在一定程度上反映系统的性能。本文采用典型热效率来评价系统的热性能。典型热效率考虑了环境、风速、湿度等因素的影响。其计算公式为

$ \eta_{\mathrm{t}}{ }^*=\eta_0-U_{\mathrm{t}} \frac{\left(T_{\mathrm{i}}-\overline{T_{\mathrm{a}}}\right)}{G} $

(2)

式中: η_t^*——系统的典型热效率;

η₀——当T_i等于$\overline{T_{\mathrm{a}}}$时系统的光热转换效率;

U_t——系统的总热损系数;

$\overline{T_{\mathrm{a}}}$——实验期间平均温度, K;

G——实验期间照射在集热器单位表面上的太阳辐照总和。

质量分数为0.5%的Cu-水基纳米流体的透射电镜图像(TEM)如图 3所示。由图 3可以看出, 纳米流体中的颗粒分布比较均匀分散, 纳米颗粒的尺寸约为10 nm, 粒子成团现象较少, Cu纳米颗粒基本呈球形或近球形。

取部分质量分数为0.5%的Cu-水基纳米流体与去离子水混合, 经过10 min的机械搅拌, 分别得到质量分数为0.10%、0.15%、0.20%的纳米流体。然后采用重力沉降观测法, 对所制备的3种纳米液体进行观测, 对比第1天和第60天可以看出, 所制备的3种纳米流体的稳定性能较好, 其悬浮稳定性可保持在60 d以上。

当温度为30 ℃时, 纳米流体的导热系数和黏度随着纳米粒子质量比的增长率变化情况如图 4所示。

由图 4可以看出, 在质量浓度为0.10%~0.50%的纳米流体中, 导热系数增长率和黏度增长率均与纳米流体质量比呈现线性关系, 即随着质量比的增大而增大。这与前人的研究结果基本相符^{[8, 10-11]}。这是因为纳米颗粒的导热系数远大于基液的导热系数, 在一定的质量浓度范围内, 加入的纳米颗粒越多, 导热系数增长率越大; 而随着纳米流体质量比的增大, 悬浮于基液中的纳米颗粒数量增多, 导致纳米流体间的内摩擦力增大, 纳米流体黏度增大。综合考虑纳米颗粒质量浓度对导热系数和黏度的影响, 应该选择一个合适的纳米流体质量比, 以优化纳米流体的导热能力。

为研究不同质量浓度的Cu-水基纳米流体对重力环形热管热水系统性能的影响, 在相同的充注量下, 分别对质量浓度为0.10%、0.15%、0.20%的Cu-水基纳米流体为工质的太阳能环路热管热水系统的传热性能进行了实验, 并将测试结果与以纯水为工质的实验进行了对比分析。由于天气情况的不可控性, 同一质量浓度的工质所形成的换热效果也有不一致性, 因此本文选取了其相应的一天的实验数据进行分析。

图 5给出了在不同工质下相应一天内太阳辐照强度、水箱水温和环境温度的变化情况。

由图 5可以看出: 太阳辐照在10:00—14:00间达到最大辐照量, 相应的水箱水温在这个时间段内增加幅度较大: 随着太阳入射角的减小和太阳辐照的减弱, 对应时间段水温上升的幅度也逐渐减小。

图 6给出了在不同工质下太阳能热水系统的瞬时光热效率η₁对比图。

由图 6可以看出, 在不同的质量浓度下, 系统的瞬时光热效率η₁总体为先增加后减少。这是因为随着太阳辐照的增强, 吸热板吸收到的太阳辐照能逐渐增加, 因此系统的光热效率逐渐增加。从14:00开始, 水温和环温之间的温差开始逐渐增大, 系统的热损也逐渐增大, 但是此时太阳辐照强度仍然较大, 因此太阳能热水系统的光热效率呈现先增加后下降的趋势。在实验末期, 水温和环温之间的温差变得很大, 系统的热损也随之变大, 同时由于太阳入射角增大, 吸热板吸收到的太阳辐射减小, 所以系统光热效率的下降幅度变大。

对比不同工质下系统的瞬时光热效率, 工质为去离子水的太阳能环路热管系统的平均光热效率为43.20%。相比而言, 以Cu-水基纳米流体为工质的太阳能重力环路热管平均光热效率可达到52.45%, 传热性能显著增强。这是因为纳米Cu颗粒的添加提高了液体的导热系数, 降低了系统热阻, 从而提高了系统的热转换效率。因此, 添加了纳米Cu颗粒的纳米流体更适合作为环路热管太阳能热水系统的传热工质。

另外, 对比不同质量浓度纳米流体的系统瞬时光热效率可以看出, 以质量浓度为0.15%的Cu-水基纳米流体为传热工质的太阳能重力环路热管的平均光热效率为52.45%, 而以质量浓度为0.20%和0.10%的Cu-水基纳米流体为工质的系统平均光热效率分别为50.27%和47.56%, 纳米流体的质量浓度高于或低于0.15%, 系统的瞬时光热效率均有所降低。由此可知, 在本实验中, 当纳米流体质量浓度为0.15%时, 系统的换热性能较高。这是因为: 一方面, 纳米流体由于其导热系数的增加而使得太阳能平板集热器蒸发端的光热效率增加, 故使系统的热效率增加; 另一方面, 气液界面产生的纳米浓度颗粒随着工质中纳米颗粒浓度的增加而增加, 使得蒸发相变热阻增大, 降低了工质蒸发传热, 从而降低了系统的传热效率。

通过式(1)和式(2), 对不同质量浓度下纳米流体系统的热性能进行了线性拟合, 拟合结果如图 7所示。拟合后的曲线可在一定程度上评估不同质量浓度下纳米流体系统在不同天气情况下的系统热性能。

由图 7可以看出, 在质量浓度为0.15%时, 系统的热效率η在50%以上, 大于其他两个质量浓度的系统热性能, 可以满足家用热水需求。

(1) 使用二步法制备了Cu-水基纳米流体, 添加SDBS分散剂和调节溶液pH值, 通过TEM图像可知纳米流体中的颗粒分布比较均匀分散, 粒子成团现象较少。经过重力沉降观测法, 可知其稳定性可保持60 d。

(2) 纳米Cu颗粒的添加提高了悬浮液的导热系数, 从而强化了工质的蒸发传热, 提高了环路热水系统的热转换效率, 因此添加了纳米Cu颗粒的纳米流体更适合作为太阳能重力环路热管热水系统的相变传热工质。

(3) 纳米颗粒的增加, 使得纳米流体的导热系数增大, 使得系统的热效率也增加; 纳米颗粒增多导致悬浮液的黏度增大, 使得蒸发相变热阻增大, 从而降低了系统的传热效率。因此, 存在一个最佳的纳米流体工质质量浓度, 使得环路热管热水系统的传热性能最佳。本实验中, 最佳Cu-水基纳米流体的质量浓度为0.15%, 其系统热效率可在50%以上, 满足家用热水需求。