Моделирование процессов тепломассопереноса в наножидкостях на примере параболического солнечного коллектора

В статье представлены основные математические модели для численного моделирования процес­сов теплообмена, протекающих в наножидкости, — однофазная и двухфазная модели. Дано опи­сание устройства и принципа работы концентрирующего параболического солнечного коллектора. Выполнены расчетные исследования процессов теплообмена однофазным методом при ламинарном и турбулентном течении теплоносителей в гладкой поглощающей трубке и трубке с проволочным спиральным турбулизатором. В качестве теплоносителя использовалась чистая вода и наножидкость на основе воды с наночастицами Al2O3 объемной концентрацией 1 %. Размер наночастиц Al2O3 —50 нм. Проведен анализ влияния применения проволочного спирального турбулизатора в солнечном коллекторе в комбинации с наножидкостью в качестве теплоносителя на температурное распределе­ние в поглощающей трубке.

1. Slobodina E. N., Mikhailov A. G. Application peculiarities of the higherature fluids containing nanoparticles in gas-tube boilers. Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1652. P. 012037. DOI: 10.1088/1742-6596/1652/1/012037.

2. Слободина Е. Н., Михайлов А. Г., Гасс Е. А. Экспери­ментальные и расчетные исследования процесса кипения на­ножидкости // Известия Транссиба. 2023. № 1 (53). С. 103– 109. EDN: NYYGES.

3. Рудяк В. Я., Минаков А. В., Краснолуцкий С. Л. Физика и механика процессов теплообмена в течениях наножидко­стей // Физическая мезомеханика. 2016. Т. 19, № 1. С. 75–83. EDN: VSMFOJ.

4. Maxwell J. C. A. Treatise on Electricity and Magnetism. Oxford, 1873. Vol. 1. 425 p.

5. Hamilton R. L., Crosser O. K. Thermal conductivity of heterogeneous two-component systems. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. 1962. Vol. 1, no. 3. P. 187–191. DOI: 10.1021/i160003a005.

6. Bruggeman D. A. G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkörper aus isotropen Substanzen. Annalen Der Physik. 2006. Vol. 416, no. 7. P. 636–664. DOI: 10.1002/andp.19354160705.

7. Yu W., Choi S. U. S. The role of interfacial layers in the enhanced thermal conductivity of nanofluids: A renovated maxwell model. Journal of Nanoparticle Research. 2003. Vol. 5. P. 167–171. DOI: 10.1023/a:1024438603801.

8. Xue Q., Xu W. M. A model of thermal conductivity of nanofluids with interfacial shells. Materials Chemistry and Physics. 2005. Vol. 90. P. 298–301. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2004.05.029.

9. Xuan Y., Li Q., Hu W. Aggregation structure and thermal conductivity of nanofluids. AIChE Journal. 2003. Vol. 49, no. 4. P. 1038–1043. DOI: 10.1002/aic.690490420.

10. Koo J., Kleinstreuer C. A new thermal conductivity model for nanofluids. Journal of Nanoparticle Research. 2004. Vol. 6. P. 577–588. DOI: 10.1007/s11051-004-3170-5.

11. Chon C. H., Kihm K. D., Lee S. P. [et al.]. Empirical correlation finding the role of temperature and particle size for nanofluid (Al2O3) thermal conductivity enhancement. Applied Physics Letters. 2005. Vol. 87, no. 15. P. 153107. DOI: 10.1063/1.2093936.

12. Wang B.-X., Zhou L.-P., Peng X.-F. A fractal model for predicting the effective thermal conductivity of liquid with suspension of nanoparticles. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003. Vol. 46, no. 14. P. 2665–2672. DOI: 10.1016/s0017-9310(03)00016-4.

13. Udawattha D. S., Narayana M. Development of a Model for Predicting the Effective Thermal Conductivity of Nanofluids: A Reliable Approach for Nanofluids Containing Spherical Nanoparticles. Journal of Nanofluids. 2018. Vol. 7, no. 1. P. 129–140. DOI: 10.1166/jon.2018.1428.

14. Pak B. C., Choi Y. I. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles. Experimental Heat Transfer. 1998. Vol. 11, no. 2. P. 151–170. DOI: 10.1080/08916159808946559.

15. Jang S. P., Choi S. U. S. Role of Brownian motion in the enhanced thermal conductivity of nanofluids. Applied Physics Letters. 2004. Vol. 84, no. 21. P. 4316–4318. DOI: 10.1063/1.1756684.

16. Timofeeva E. V., Moravek M. R., Singh D. Improving the heat transfer efficiency of synthetic oil with silica nanoparticles. Journal of Colloid and Interface Science. 2011. Vol. 364, no. 1. P. 71–79. DOI: 10.1016/j.jcis.2011.08.004.