纳米流体微通道冷却菲涅尔聚光电池的热性能研究

文章基于菲涅尔高倍聚光砷化镓电池冷却技术的研究,对不同聚光条件、不同冷却工质螺旋式微通道散热器的传热性能进行了数值模拟,分析了电池芯片温度、努塞尔数、传热系数、强化传热因子的变化规律。研究结果表明:当太阳直射辐照度为1 000 W/m~2时,优化的三级聚光系统经过均光后,可强化螺旋式微通道对电池芯片的冷却效果,且该菲涅尔三级聚光系统的压降逐渐减小;与蒸馏水相比,Al_2O_3纳米流体的换热特性较强,且该纳米流体的换热特性随着纳米颗粒粒径的减小而增强;随着Al_2O_3纳米流体质量分数和粘度的增大,该纳米流体的努塞尔数、传热系数呈现先增大后减小的趋势,优化的菲涅尔三级聚光系统的压降则逐渐增大;当Al_2O_3纳米流体的质量分数为6%~8%时,该纳米流体的换热特性可作为该工况下利用Al_2O_3纳米流体冷却砷化镓电池的参考值,此时Al_2O_3纳米流体的强化传热因子相对较高。     

一个水基SiO2纳米流体核态池沸腾数学模型

基于水基SiO_2纳米流体沸腾实验研究结果,在双流体多相流模型和热流分区模型(RPI模型)的基础上建立了一个水基SiO_2纳米流体核态池沸腾数学模型。结果表明:汽化核心密度、气泡脱离直径和纳米流体润湿角是纳米流体换热性能提升的主要原因,所建立的新的汽化核心密度、气泡脱离直径模型预测结果与实验数据吻合非常好,证明该模型的可靠性,给精确预测水基SiO_2纳米流体核态沸腾换热特性提供了重要参考。     

磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性研究

建立磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性实验系统,研究有无外磁场、磁场强度、磁场方向,纳米粒子质量分数、轴向比等因素对磁性纳米流体对流换热系数的影响。实验结果表明:对流换热系数随磁场强度的增加而增大;当磁场方向与流体运动方向一致时,外磁场强化了对流换热过程;外磁场对低流速流体的对流换热过程影响比对高流速更为显著;外磁场作用于流体入口段时对流换热系数得到明显提高;质量分数范围α=0.6%~0.8%的Fe3O4-H2O纳米流体可有效强化其对流换热性能。     

换热器内纳米流体换热与压降特性的分析

以人字形板式换热器翅片的单元流道二维截面为几何模型,采用Fluent软件对换热介质分别为水、水基Al_2O_3纳米流体和水基CuO纳米流体进行换热、压降特性的数值分析,结果表明:在水中添加纳米颗粒可以提高流体的换热能力,且随着纳米颗粒体积分数的增加,努塞尔数随之增大,同时,纳米颗粒体积分数为3.0%时,流体对应的努塞尔数增幅明显高于1.0%～2.0%的水基Al_2O_3纳米流体。但结果还表明,纳米颗粒体积分数为3.0%的水基Al_2O_3纳米流体对应的压降最高,不利于流体流动,因而在将纳米流体作为流动换热介质时,应该综合考虑换热与压降的影响。另外,在相同纳米颗粒体积分数以及入口雷诺数时,水基Al_2O_3纳米流体换热能力高于水基CuO纳米流体,但两者的流动压降几乎相同,因而应优先选用Al_2O_3纳米颗粒。由于目前将纳米流体与换热器相结合的相关研究较少,因而得出数值结论对纳米流体在换热器中的应用设计具有一定的参考意义。     

石墨纳米溶液的沸腾传热特性研究

为研究强化沸腾传热系数和临界热流密度的方法,本文采用石墨纳米溶液作为沸腾工质,分析了不同质量浓度的石墨纳米溶液对沸腾传热系数和CHF(临界热流密度)的影响。实验结果表明:相比去离子水,石墨纳米溶液能够强化沸腾传热系数,在测试工况下,传热系数最大可增加30%。当石墨的浓度从0.05 g/L增大到2.5 g/L时,沸腾传热系数的强化效果先增大后减小。同时,纳米溶液使CHF得到增强,随着浓度的增大,CHF的强化效果也是先增大后减小。在实验测试的工况中,1 g/L石墨纳米溶液强化沸腾传热的能力最强,此时的CHF值也最大。石墨纳米溶液沸腾后,加热表面亲水性增强,静态接触角变小,这是CHF提高的一个重要因素。     

纳米流体对U型深埋管换热特性影响的研究

结合西安市某个埋深为2505 m的U型深埋管换热系统,在原位实验验证的基础上建立三维全尺寸数值计算模型,进而模拟分析埋管内热流载体种类对强化埋管换热的效果。埋管内热流载体除常规使用的水外,还选用Al₂O₃/水、CuO/水和SiO₂/水3种纳米流体。通过改变这3种纳米流体的纳米颗粒体积浓度分别为0.1%、0.3%、0.5%及1.0%,分析纳米流体种类及纳米颗粒体积浓度对埋管换热的影响。研究结果表明,就整个埋管的换热而言,纳米流体的强化换热效果较小。因此,通过改变埋管热流载体来达到埋管强化换热的方法并不高效合理。     

水基纳米流体流动与换热数值模拟

采用两步法制备体积分数φ为0.001%、0.01%、0.1%的Al_2O_3-H_2O纳米流体,运用热力学相关式进行计算,并采用Lattice Boltzmann方法模拟圆管内Al_2O_3-H_2O纳米流体的流动与换热,研究分析不同纳米粒子体积分数和粒径对纳米流体平均Nu数的影响。结果表明,不同体积分数的Al_2O_3-H_2O纳米流体,随着纳米颗粒的运动,边界层发生变化,其流动特性和换热特性也受到影响,对于相同位置的纳米流体,当体积浓度为0.9%、0.5%、0.1%时,平均Nu数分别为21、17.8、16,随着纳米颗粒体积分数越大,其平均Nu数越大,即换热强度越大。当纳米颗粒为20 nm,Re数为1000、3000、5000、7000、9000时,平均Nu数分别为11.5、14.5、18、20、21.5,随着Re数的增加,纳米流体的强化换热效果越好。     

分离式热管小螺旋管蒸发段换热特性的实验研究

将小螺旋管应用于分离式热管的蒸发段。通过采用玻璃管和不锈钢管模拟分离式热管的蒸发段,对不同充液率和热流密度下,小螺旋管管内流体的流动与换热特性进行了实验研究。通过可视化实验观察小螺旋管蒸发段管内流型,初步分析热流密度和充液率对流型转换的影响,讨论壁温分布与管内两相流流型的关系。提出螺旋管内的脉冲震荡和二次回流使得管内流体的紊动强化,从而使平均换热系数和临界热流密度得以提高,不会产生壁温飞升,具有较好安全性的结论。     

垂直矩形窄缝内的过冷流动沸腾换热性能

用高速摄像等方法研究了有压模化介质在单一垂直矩形窄缝流道内的气泡形态和传热情况 ,发现窄缝流动沸腾换热强化的原因在于流道尺寸较小 ,气泡的形状发生变化 ,增加了界面体积浓度 ,并强化了对加热面附近的扰动 ,使换热有所强化。通过与实际测量的壁温数据进行比较 ,发现用于计算大流道和池过冷沸腾换热的 Rohsenow关系式预测窄流道内高热流密度下的过冷流动沸腾换热的误差不大 ,但对于较低热流密度下的过冷流动沸腾时误差较大 ;通过最小二乘法对 Rohsenow关系式进行修正后 ,误差低于± 2 5 %。     

水平微细管道内R717沸腾换热特性研究

搭建了氨(R717)沸腾换热测试台,对内径3 mm水平光管内R717的沸腾换热特性进行了测试,分析热流密度、干度、饱和温度及质量流率对沸腾换热及换热方式的影响。实验热流密度15～40 kW/m~2,质量流率40～160 kg/(m~2·s),饱和温度-5、0和5℃,干度0.1～0.9。结果表明:在氨制冷剂管内沸腾换热的过程中,质量流率过低和热流密度过高会导致干涸传热恶化,换热形式由核态沸腾换热向气态氨制冷剂强制对流换热转变,同时也影响干涸的起始干度;在干涸发生前,沸腾换热系数随着干度的增加而增大,逐渐达到峰值;在干涸发生后,传热恶化导致换热系数急剧降低;饱和温度升高会加快核态沸腾气泡生成速率,强化沸腾换热,但干涸的起始干度随着饱和温度升高而降低。     

竖直矩形窄通道内流动沸腾局部换热特性实验研究

为了明确竖直矩形窄通道内各阶段流动沸腾的换热特性,优化换热器性能,以去离子水为工质,对尺寸为720 mm×250 mm×3.5 mm的单面电加热竖直矩形窄通道内的流动沸腾换热进行实验研究,分析了质流密度、进口温度、热流密度对流动沸腾局部换热特性的影响。并在已有流动沸腾传热关联式的基础上,对实验数据进行非线性回归分析,得到适用于实验工况下的新流动沸腾传热关联式。结果表明：质流密度增大对流动沸腾段换热特性有强化作用,对核态沸腾段换热特性有削弱作用;热流密度对核态沸腾影响剧烈,但对流动沸腾的影响不明显;入口温度越高,流体会越早进入过冷沸腾阶段,但对局部传热系数的影响不明显;新流动沸腾传热关联式与实验值的平均相对误差为23.87%,其中74.19%的预测值在±25%内,83.87%的预测值在±50%以内,能很好地预测本实验工况下矩形窄通道内流动沸腾的局部传热系数。     

石墨烯纳米制冷剂核态池沸腾换热的实验研究

为分析单层石墨烯纳米片对核态池沸腾换热的影响机理,对基液为R141b、分散相为单层石墨烯纳米片的纳米制冷剂的核态池沸腾换热特征进行了测定,采用Hot Disk热物性分析仪和铂金板法分别测定了石墨烯纳米制冷剂的热导率和表面张力,采用接触角测量仪和扫描电子显微镜（SEM）观测了沸腾后加热表面的润湿性和形貌特征。实验中,单层石墨烯纳米片的质量百分含量（ω）为0.02%~0.50%,实验压力为一个标准大气压,热流密度为20~200 kW/m2。实验结果表明：单层石墨烯纳米片的加入,使制冷剂R141b的核态池沸腾换热得到强化;当ω=0.2%时,换热系数提高比例出现峰值,为57.7%。伴随ω的增加,石墨烯纳米制冷剂的热导率增大、表面张力减小,沸腾表面润湿性增强且微腔数先增后减,综合作用的结果导致存在一个最佳的单层石墨烯纳米片浓度（即ω=0.2%）使换热系数最高。     

微细圆管内CO2两相沸腾换热实验研究

本文对CO_2在水平微细管内流动沸腾特性进行实验研究。实验结果表明:热流密度增加对强化核态沸腾换热和高干度区域流型转变具有显著影响,随着热流密度的增加换热系数增加,对摩擦压降影响很小;质量流率对于换热系数的影响较小,但随着质量流率的增加摩擦压降大幅增加,质量流率的大小直接决定了换热过程所经历流态;饱和温度升高换热系数相应升高,摩擦压降减小,且对流态转变特性有重要影响。在同样工况下摩擦压降最大值先于换热系数最大值出现,理论分析采用的流态形式与实际CO_2管内流动流动沸腾换热流态基本一致。     

CO2不同螺纹管管外强化换热的实验研究

通过对CO2的物理特性及水平光管与不同螺纹管管外沸腾换热进行实验研究,得出了换热系数随蒸发压力和热流密度的变化关系。拟合得出CO2在蒸发压力的范围为2.6~3.6MPa、热流密度为10~50 kW.m-2的换热关联式h=A.qn。与Cooper预测值的偏差在±15%之内,与Ribatski关联式预测值的偏差在±7%之内,与Ye实验关联式预测值的偏差在±9%之内。在CO2在光管管外沸腾换热的基础上进一步研究其在螺纹管管外沸腾对换热的强化效果,为CO2强化换热进一步发展提供依据,具有一定工程实践意义。     

H_2O和O_3对热原子层沉积Al_2O_3薄膜性能研究

采用热原子层沉积的方法,以三甲基铝(TMA)为铝源,配合H_2O、O_3及H_2O+O_3这3种不同的氧化剂制备Al_2O_3薄膜并研究Al_2O_3薄膜的生长、元素分布、薄膜结构和表面钝化质量随氧化剂种类和后退火工艺的变化规律。结果表明,H_2O基的Al_2O_3薄膜具有较高的沉积速率及薄膜折射率,同时具有较低的杂质元素浓度和界面态缺陷密度;O_3基的Al_2O_3薄膜则具有较高的固定负电荷密度和较好的热稳定性。通过在O_3工艺中加入H_2O,可有效降低Al_2O_3薄膜中杂质元素浓度和界面缺陷态密度,同时保留O_3基Al_2O_3薄膜中较高的固定负电荷密度,从而在钝化性能上兼具两者的优势。     

CO_2单管池沸腾换热实验研究

在CO2跨临界水-水热泵试验台添加池沸腾实验段,进行CO2单管池沸腾换热实验,用威尔逊分析法对实验数据进行处理。研究表明:CO2池沸腾换热效果优于管内沸腾换热效果;同时,结合实验数据,拟合在饱和压力3.2和3.4MPa下的CO2池沸腾换热系数与热流密度和对比压力之间的关联式。     

纳米尺度固体悬浮颗粒强化池沸腾换热的实验研究

文中对纳米尺度的固体悬浮颗粒对泡状池沸腾换热的影响进行了实验研究，固体颗粒为粒径0.0016mm的黄沙和28nm的三氧化二铝粉末。实验分析了悬浮颗粒的沸腾特性，并讨论了颗粒大小、颗粒浓度对换热的影响。实验结果表明，在池沸腾条件下加入纳米尺度的固体颗粒能够有效的强化换热，强化效果与固体颗粒的大小及颗粒密度有关。     

微细通道CO_2流动沸腾换热临界热流密度研究

CO2在微细通道内流动沸腾换热过程所具有的临界热流密度(CHF)对于其换热系数有着重要影响。根据国内外现有发表的公开文献的实验数据分析了质量流量、饱和温度、管径等对临界热流密度的影响,并对理论模型与试验数据进行误差分析。发现Bowring预测关联式对小于3 mm管径内临界热流密度预测精度较高,在30%误差范围内可以达到70%预测精度,Wojtan预测关联式具有较小的平均绝对误差。提出了今后CO2在微细通道内沸腾换热CHF的研究方向。     

纳米流体在泡沫金属管内强化换热的数值模拟

本研究通过在流体流过的管内核心区插入不同半径的泡沫金属、在基液中添加纳米粒子的方法达到强化换热的目的。通过泡沫金属管与光管内温度场及速度场的比较来分析泡沫金属对强化换热的作用,研究了泡沫金属填充比和纳米流体对流动及换热性能的影响。研究表明:模拟结果与文献实验结果吻合良好,将泡沫金属填充在管内核心区可以提升换热特性,而纳米流体的加入可以使换热效果增强。在低流速的条件下,换热效果随填充比和纳米流体浓度增大而增强,但泡沫金属填充比和纳米流体体积分数之间存在最佳搭配。研究可知,在填充厚度为6 mm、纳米流体体积分数为0.3%时综合换热性能最佳;流速和填充比的增大有利于强化换热,但压降也随之增大。     

SiO2纳米流体强化换热的实验和仿真研究

为研究纳米流体稳定性并增强换热机理,在乙二醇/去离子水基液中,采用原液化学生长法制备了不同质量浓度（1%,2%,3%,4%和5%）的氧化硅-乙二醇/水纳米流体,通过Zeta电位测量和透射扫描电镜实验表征纳米流体的稳定性。实验测量并研究了温度和质量浓度对纳米流体的导热系数和粘度的影响。依据实测结果,利用格子玻尔兹曼方法对圆管内纳米流体的流动与换热特性进行数值模拟研究。结果表明：二氧化硅颗粒在基液中具有良好的稳定性;纳米流体的导热系数随温度和质量浓度的提高而增大;纳米流体的加入可以显著提高基液的对流换热系数,当质量浓度为5%时对流换热系数的提高幅度可达到25.5%。