ЧИСЛОВЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛООБМІНУ В ТЕПЛОПРИЙМАЛЬНОМУ КАНАЛІ СОНЯЧНОЇ ПАРАБОЛОЦИЛІНДРИЧНОЇ СИСТЕМИ З НАНОРІДИНОЮ В ЯКОСТІ ТЕПЛОНОСІЯ

Анотація

У статті проаналізовано процеси перенесення теплової енергії в системі теплосприймання параболоциліндричної сонячної термодинамічної установки, для якої як теплоносій розглянуто нанорідину на основі силіконової олії Syltherm800 з наночастинками оксиду алюмінію Al2O3. Актуальність дослідження визначається тим, що інтенсифікація конвективного теплообміну в приймальній трубці без суттєвого ускладнення конструкції установки здатна підвищити її теплову та інтегральну енергетичну ефективність. Побудовано фізичну і математичну моделі енергопереносу для потоку теплоносія в циліндричному каналі з урахуванням температурної та концентраційної залежності теплофізичних властивостей нанорідини. На основі апроксимації експериментальних даних отримано аналітичні співвідношення для густини, питомої теплоємності та теплопровідності базової рідини й нанорідини як функцій температури та об’ємної частки наночастинок. Для числового розв’язання задачі розроблено алгоритм на базі методу контрольного об’єму з неявною схемою та реалізовано його у власному Python-коді. Під час розрахунків враховано ламінарний режим течії, квадратичний профіль швидкості та ітераційне уточнення коефіцієнтів на кожному кроці вздовж каналу. Проведено серію числових експериментів для чистої Syltherm800 і нанорідини Syltherm800/Al2O3 з об’ємною концентрацією наночастинок 3 %, 5 % і 8 %. Визначено температурні поля вздовж довжини та радіуса теплоприймального каналу, а також середньомасову температуру теплоносія. Верифікацію математичної моделі та числового алгоритму виконано шляхом зіставлення з тестовою задачею, для якої існує аналітичний розв’язок, і встановлено повний збіг результатів. Показано, що введення наночастинок Al2O3 до традиційного теплоносія підвищує теплопровідність середовища та сприяє зростанню середньомасової температури в каналі, а отже може забезпечити інтенсифікацію конвективного теплообміну. Обґрунтовано, що за раціонального вибору геометричних і термодинамічних параметрів застосування такої нанорідини є перспективним шляхом підвищення ефективності систем перетворення сонячної енергії.