RENEW ENERG|地热应用中纳米流体传热的实验研究

研究背景

可再生能源因其可获得性和低碳足迹在世界范围内变得越来越重要。它还与地热能有关。最近的研究表明，纳米流体具有优异的导热和传热性能，因此在地热应用方面前景广阔。典型的纳米流体是一种悬浮着不同类型纳米大小颗粒的液体。纳米流体已成功应用于各种领域:太阳能、医药、汽车工业、电子和生活热水。尽管纳米流体在热性能方面优于标准冷却剂，但它们的缺点是表观粘度增加，随着颗粒浓度的增加而增加。这给纳米流体的工业应用带来了难题，增加了泵送成本。因此，相同的纳米流体在不同的流动状态下可以与使用单相冷却剂的情况相比，提高热交换设备的性能或使其恶化。为了平衡纳米流体性质的利弊，在本文中，研究者们采用了一种理论方法来评估热设备的性能。研究者们提出了一个名为“figuren -merit ”的标准。它与纳米流体的摩罗塞夫数与基流体的摩罗塞夫数之比成正比。Mouromtseff数是表示给定冷却剂的对流换热和泵送成本之差的无因次判据。

本文研究了含Al2O3纳米颗粒的水相纳米流体的地热同轴换热器的性能。纳米颗粒的浓度在2% wt至8% wt之间。研究者们描述了纳米流体生产方法，使样品在静态条件下稳定50天。颗粒的平均粒径为183 nm。研究发现，纳米流体的导热系数可提高13%，最大表观粘度可提高20%。纳米流体在实验室规模的地热换热器中进行了测试。纳米流体的热交换器的最佳热性能比基液的高9%。

相关成果以“Experimental study of nanofluid heat transfer for geothermal applications”为题发表在国际知名期刊《Renewable Energy》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=8.7)上。

研究结论

本文研究了低温Al2O3 /水+乙醇纳米流体的制备方法，研究了其稳定性、导热性和粘度，并在实验室规模的地热换热器上进行了应用。得到了以下结果:

1. 制备的纳米流体在静态条件下表现出50天的稳定性。

2. 如果颗粒浓度不超过8%wt，纳米流体在30至55℃的温度范围内的热导率最高可达15%，在10至40℃的温度范围内的粘度比基础流体高20%。

3. 在层流状态下，根据流速和颗粒浓度的不同，纳米流体可使地热热交换器的效率提高5%。

4. 在紊流状态下使用纳米流体可使地热热交换器的效率提高9%。

5. 用纳米流体代替标准单相冷却剂对地热换热器效率提高的理论估计是矛盾的。他们证实，如果纳米流体用于层流状态，效率会提高。然而，他们并不总是预测在湍流状态下使用纳米流体的优势。

主要数据

图1:生产方案

图2:实验系统方案

图3:试验段方案

图4:在108 W加热功率和120 l/h水流量下的砂温历史

图5:颗粒质量浓度与初始浓度和时间的关系

图6:纳米颗粒重量为7.0%(左)和4.5%(右)的样品在静态条件下老化导致的纳米流体不稳定

图7 (a)团聚体粒度分布;(b)纳米流体中z -平均尺寸的时间历史

图8:相对导热系数(a)和相对粘度(b)与纳米颗粒质量浓度的关系

图9:热交换器中的压降

https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119631

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