使用旋转扰流器和挡板以及环保型GAGNPs纳米流体的抛物槽式太阳能集热器的热性能提升：一项数值研究

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Thermal performance enhancement of parabolic trough solar collectors using rotating turbulators and baffle plates with eco-friendly GAGNPs nanofluid: A numerical study

本研究提出一种新型设计，将旋转湍流器与隔板结合应用于抛物线槽式太阳能聚光器（PTSC），并采用环保纳米流体（GAGNPs）进行数值模拟分析。结果表明，在5000至20000雷诺数范围内，结合旋转湍流器和隔板可使努塞尔数提升达350%，性能评价准则（PEC）提高超过150%，显著协同提升热性能与能效。

　　在当前全球对可再生能源的需求日益增长的背景下，太阳能作为一种清洁、可持续的能源形式，正发挥着越来越重要的作用。其中，抛物面槽式太阳能集热器（Parabolic Trough Solar Collectors, PTSCs）因其在中温应用中的高效性和经济性，受到了广泛关注。PTSCs通过抛物面反射镜将阳光聚焦到接收管上，使工作流体在管内被加热，从而用于工业或建筑领域的供热、蒸汽生成以及空调制冷等应用。然而，尽管PTSCs具有诸多优势，其热性能仍然受到热损失和非均匀热分布等问题的限制，这使得提高其效率成为研究的重点。

为了解决这些问题，研究人员一直在探索各种方法来增强PTSCs的热传递效率。传统的方法包括被动式和主动式两种。被动式方法通常通过改变接收管的结构来实现，例如使用不同的横截面、安装挡板、肋片、螺旋式扰流片等。这些结构可以在不消耗额外能量的情况下改善流体流动和传热过程，但它们往往伴随着较大的压降，这会增加泵送所需的能量，从而影响系统的整体效率。相比之下，主动式方法则通过引入外部能量来增强传热，如旋转接收管、安装旋转式扰流片等。这些方法虽然能显著提升热传递能力，但同样面临压降增加的问题。

近年来，纳米流体的引入为PTSCs的热性能提升提供了新的思路。纳米流体是通过在基础流体中加入纳米颗粒而制成的，具有更高的热导率和良好的稳定性。在众多纳米流体中，经过棓酸处理的石墨烯纳米片（GAGNPs）因其优异的热传递性能、较低的环境影响以及良好的稳定性，成为一种备受关注的绿色替代品。尽管GAGNPs纳米流体在其他系统中的应用已有一定研究，但在PTSCs中的性能表现却鲜有报道。因此，探索GAGNPs纳米流体在PTSCs中的应用潜力，以及如何将其与被动和主动增强技术相结合，成为当前研究的一个重要方向。

本研究提出了一种创新的设计方案，结合了强制旋转扰流片和挡板，用于提升PTSCs的热传递效率和整体性能。这一设计的创新之处在于，它将被动增强技术（如挡板）与主动增强技术（如旋转扰流片）结合起来，旨在通过协同作用实现更高效的热传递。同时，该研究还评估了GAGNPs纳米流体在这一系统中的表现，以探讨其在提升热性能方面的潜力。通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，研究人员对系统进行了详细的分析，考察了不同雷诺数（Re）范围（5000至20000）和扰流片旋转速度（0至200 rpm）下的性能表现。

研究结果表明，GAGNPs纳米流体在提升系统性能方面具有显著优势。在雷诺数为5000和10000的情况下，结合旋转扰流片和挡板的设计使努塞尔数（Nusselt number）提升了高达350%，而性能评价准则（Performance Evaluation Criterion, PEC）也提高了超过150%。这些结果表明，将被动和主动增强技术相结合，可以在不显著增加压降的情况下大幅提升PTSCs的热传递效率。此外，研究还评估了系统的其他关键性能指标，包括摩擦因子（friction factor）、?破坏率（exergy destruction rate）和比詹数（Bejan number），以全面了解系统的热力学行为。

努塞尔数是衡量对流传热效率的重要指标，它反映了流体与固体表面之间的热交换强度。在本研究中，通过引入旋转扰流片和挡板，流体流动的复杂性得到了显著增强，从而促进了热量的更高效传递。摩擦因子则用于评估流体在管内流动时的阻力，较高的摩擦因子意味着更大的压降，进而增加了泵送所需的能量。然而，研究结果表明，尽管旋转扰流片和挡板的引入会导致一定的压降增加，但它们对热传递的提升幅度远大于压降带来的负面影响，因此整体系统性能仍然得到了显著改善。

性能评价准则（PEC）是一种综合评估系统热效率和压降影响的指标，它结合了热传递效率和流动阻力之间的平衡。本研究中，PEC的提升表明系统在热传递和流动阻力之间取得了较好的平衡，这使得PTSCs在实际应用中更具可行性。此外，?破坏率的降低也意味着系统在热能转换过程中浪费的能量减少，从而提高了整体的能源利用效率。比詹数则用于衡量系统中热传递和流动阻力之间的相对贡献，较高的比詹数通常意味着热传递是系统的主要传热机制，而流动阻力的影响相对较小。

在具体实验中，研究人员通过CFD模拟对不同参数下的系统性能进行了详细分析。这些参数包括雷诺数和扰流片旋转速度，它们分别代表了流体流动的强度和扰流片的运动状态。通过对这些参数的系统性研究，研究人员能够识别出最佳的组合方式，以实现热传递效率的最大化。例如，在雷诺数为5000和10000的情况下，旋转扰流片和挡板的结合效果最为显著，这表明在这些流速范围内，系统能够有效地利用外部能量和结构优化来提升热传递效率。

除了热传递效率的提升，研究还关注了系统的整体热力学性能。通过分析?破坏率和比詹数，研究人员能够更全面地理解系统在热能转换过程中的损失和效率。例如，当系统中的热传递增强时，?破坏率可能会降低，因为更多的热量被有效利用，而不是以不可逆的形式被浪费。而比詹数的增加则表明，系统中的热传递机制变得更加主导，这有助于提高系统的整体热效率。

此外，研究还探讨了不同扰流片形状和排列方式对系统性能的影响。例如，旋转扰流片的形状和旋转速度被调整，以找到最佳的热传递增强效果。同时，挡板的布置方式也被优化，以减少流体流动的阻力并促进热量的均匀分布。这些优化措施的结合，使得系统能够在不同的运行条件下保持较高的热传递效率。

值得注意的是，尽管旋转扰流片和挡板的引入能够显著提升热传递效率，但它们对系统压降的影响也需要被仔细评估。研究人员通过计算摩擦因子和压降数据，发现虽然这些增强措施会增加一定的流动阻力，但其对热传递的提升幅度远大于压降带来的负面影响。因此，系统在整体性能上仍然表现出色，能够满足实际应用中的需求。

本研究的另一个重要贡献是，它首次将GAGNPs纳米流体与旋转扰流片和挡板相结合，用于PTSCs的热性能提升。这种组合不仅提高了热传递效率，还减少了系统的?破坏率，从而提升了整体的能源利用效率。研究人员通过CFD模拟验证了这一设计的可行性，并与实验数据进行了对比，以确保其准确性。这些结果为未来PTSCs的设计和优化提供了重要的参考，同时也为其他类型的太阳能集热器的热性能提升提供了新的思路。

在实际应用中，PTSCs的热性能提升对于推动可再生能源的发展具有重要意义。更高的热传递效率意味着系统能够更有效地利用太阳能，从而减少对化石燃料的依赖，降低碳排放，促进环境可持续性。此外，系统在运行过程中产生的?破坏率降低，也有助于减少能源浪费，提高能源利用效率。因此，本研究提出的创新设计方案不仅有助于提升PTSCs的性能，也为实现更加环保和高效的太阳能利用提供了理论支持和技术指导。

通过本研究的分析，可以得出以下几点结论：首先，将旋转扰流片和挡板结合使用能够显著提升PTSCs的热传递效率，尤其是在较低的雷诺数范围内，这种组合效果更为明显。其次，GAGNPs纳米流体的引入在提升系统性能方面具有显著优势，它不仅增强了热传递能力，还减少了系统的?破坏率。最后，通过综合评估热传递效率、摩擦因子、性能评价准则、?破坏率和比詹数等指标，研究人员能够全面了解系统的热力学行为，从而为优化PTSCs的设计和运行提供科学依据。

本研究的结果表明，通过合理设计和优化PTSCs的结构，结合先进的纳米流体技术和主动增强方法，可以显著提升系统的热性能。这不仅有助于提高太阳能利用的效率，也为实现更加环保和可持续的能源系统提供了新的可能性。随着可再生能源技术的不断发展，这种综合性的热性能提升方法有望在未来得到更广泛的应用，为太阳能技术的进步和推广做出重要贡献。