波纹两相闭式热虹吸管(CTPCT)结合真空管太阳能集热器(ETSC)用于太阳能热水生产的热力学与?分析

《Next Energy》：Thermal and exergy efficiency analysis of a corrugated thermosyphon water heater integrated with an evacuated tube solar collector using TiO? nanofluid

　　

研究人员研究了将波纹两相闭式热虹吸管(corrugated two-phase closed thermosyphon, CTPCT)集成于真空管太阳能集热器(evacuated tube solar collector, ETSC)中，并以TiO?纳米流体作为工质，以提升太阳能热水系统在常用安装倾角(45°)下的传热性能。实验在实验室模拟太阳辐照(765 W/m2)条件下，对比了CTPCT/ETSC与常规光滑管热虹吸管(two-phase closed thermosyphon, TPCT)/ETSC在三种充液率(filling ratio, Fr＝30%、50%、70%)下的热力学行为。结果表明，CTPCT内部波纹几何结构产生二次流扰动并促进核态沸腾起始，配合TiO?纳米流体提高导热系数及润湿性，在Fr50%时使蒸发器热阻降至0.00279 °C/W，冷凝器传热系数达22,418.8 W/m2·°C，热水最高温度达91.6 °C，热效率(ηth)为0.95，?效率(ηEx)为0.90，均显著优于光滑管配置。熵产分析与压力波动监测证实波纹结构改善汽?液逆向流动并延缓溢流(flooding)限制。研究证明CTPCT/ETSC耦合纳米流体可有效克服传统TPCT在低倾角安装时的性能局限，为被动式太阳能热水系统提供高效强化传热方案。

论文解读：波纹两相闭式热虹吸管(CTPCT)集成真空管太阳能集热器(ETSC)辅以TiO?纳米流体的热性能与?分析研究

研究背景与意义

传统两相闭式热虹吸管(two-phase closed thermosyphon, TPCT)无吸液芯(wickless)，依靠重力回流冷凝液实现被动运行，常与真空管太阳能集热器(evacuated tube solar collector, ETSC)组合用于太阳能热水。然而TPCT在实用安装倾角(17°～45°，尤指45°)下传热性能明显低于近垂直(60°～90°)工况，且存在汽?液逆向流动的溢流(flooding)极限，限制其热传输能力。现有研究提出纳米流体(nanofluid)作工质或改变管截面形状以增强传热，但针对低倾角安装下结构强化与纳米流体协同效应对TPCT/ETSC系统的系统性热力学及?(exergy)分析尚不充分。本研究通过引入波纹内表面的两相闭式热虹吸管(corrugated two-phase closed thermosyphon, CTPCT)，结合TiO?–水纳米流体，旨在克服倾角相关性能衰减，并通过能量、?及熵生成(entropy generation)分析量化强化机制，成果发表于《Next Energy》。

主要关键技术方法

研究人员搭建实验室规模ETSC–热虹吸管实验台，采用四只500 W卤钨灯模拟太阳辐照(≈765 W/m2)，ETSC倾角固定45°。对比对象为外径16 mm、长2250 mm的光滑不锈钢TPCT与等尺寸波纹不锈钢CTPCT(波纹深度e＝0.5 mm，节距p＝25.4 mm)；工质为去离子水(DI water)及0.5 wt% TiO?纳米流体(粒径＜100 nm，超声分散6 h)。充液率(filling ratio, Fr)定义为工质体积占蒸发器体积之比，设30%、50%、70%三档。冷凝器段浸入10 L保温储水箱，冷却水温恒20 °C、流量30 L/h。沿蒸发器、绝热段及冷凝器布置K型热电偶记录温度，用数据记录仪每10 min采集持续240 min。基于实测温度与流量计算传热量(Q_c)、热阻(R_e、R_c)、传热系数(h_e、h_c)、努塞尔数(Nu)、雷诺数(Re)、热效率(η_th)、?传递(Ex_cond、Ex_sol)、?效率(η_Ex)及热与摩擦熵产(S_gen,th、S_gen,fr)，并做不确定度分析。

研究结果

4.1. Titanium nanoparticle fluid

TiO?纳米粉SEM显示颗粒呈球形、粒径＜100 nm且分散均匀；经超声处理后纳米流体静置实验期间未见明显沉降，具备良好稳定性与适合热物性。

4.2. Surface temperature distribution of TPCT/ETSC and CTPCT/ETSC

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  4.2.1. TPCT/ETSC：Fr30%时TiO?因快速成核易致蒸发器局部蒸干(dry-out)，水箱终温仅39.2 °C；水为工质未蒸干但终温42.7 °C。Fr50%时TiO? nanofluid启动更快、核态沸腾更旺，水箱终温达62.7 °C，优于水作工质。Fr70%过量液体抑制汽化，TiO?组出现溢流迹象，水箱终温40.3 °C；水组终温41.52 °C，高温段出现溢流平台。
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  4.2.2. CTPCT/ETSC with TiO? nanofluid at different filling ratios：Fr30%波纹槽存液促早沸，壁温升快但液量不足限循环；Fr50%汽?液循环最稳，240 min后水箱水温达91.6 °C；Fr70%大液量稍抑沸腾但波纹仍助启动，终温79.7 °C。波纹凹槽作微储液池并给冷凝液提供独立回流通道，减轻逆流干扰。
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  4.2.3. Comparative surface temperature difference：CTPCT/ETSC(Fr50%, TiO?)蒸发器?冷凝器壁温差下降更快，240 min残差仅64.5%，低于TPCT/ETSC的86.7%，表明整体热阻更小、两相传热循环更完整。

4.3. Condenser pressure behavior

CTPCT/ETSC(TiO?, Fr50%)冷凝器侧压力平稳升至70.18 kPa对应水箱91.6 °C；TPCT/ETSC(TiO?)压力较低(25.04 kPa)且波动大；TPCT/ETSC(水)呈周期性压力振荡。波纹结构配纳米流体抑制压力脉动、推迟溢流发生。

4.4. Heat flux and thermal resistance

CTPCT/ETSC(TiO?, Fr50%)蒸发器热阻R_e最小＝0.00279 °C/W，热通量q＝29.14 kW/m2；对应TPCT/ETSC(TiO?) R_e＝0.00595 °C/W，TPCT/ETSC(水) R_e＝0.01952 °C/W。波纹几构扩传热面积并促湍流混合，降热阻提热流。

4.5. Heat transfer coefficient of evaporator and condenser

CTPCT/ETSC(TiO?, Fr50%)蒸发器传热系数h_e＝13,247.1 W/m2·°C(绝热段蒸汽温T_op＝130.2 °C)，冷凝器h_c＝22,418.8 W/m2·°C，冷凝器热阻R_c＝0.00164 °C/W；较TPCT/ETSC分别提升约58.42%(TiO?)与79.18%(水)。纳米颗粒增导热与改润湿＋波纹提供额外成核位点及冷凝液回流道共同强化相变换热。

4.6. Thermal and exergy efficiency

最高热效率η_th＝0.95、?效率η_Ex＝0.90均出现在CTPCT/ETSC(TiO?, Fr50%)，对应最低(T_e－T_a)/I比，表明太阳辐照能获最有效热能与?利用，不可逆损失最小。

4.7. Thermal entropy generation analysis

CTPCT/ETSC(TiO?, Fr50%)热熵产S_gen,th＝813.19 W/°C，摩擦熵产S_gen,fr＝0.001005 W/°C，虽绝对值较大但因传热量显著提升且不可逆比例降低，故?效率仍最高(0.90)。关联熵产??分析证实波纹结构促稳两相传热减不可逆。

4.8. Mechanistic interpretation of performance enhancement

性能强化归因于四方面机理：(i)波纹内表面增加微空腔密度与粗糙度→降低壁面过热度→提前核态沸腾起始、增多活化成核点；(ii)周期曲率重分布汽?液界面剪切应力→抑制汽垫形成、延后溢流；(iii)波纹沟槽作优选冷凝液回流路径→减液膜堆积、缓蒸干；(iv)TiO?纳米颗粒提有效导热+微对流+改表面浸润性→与波纹几何协同降热阻促沸腾。

4.9. Exergy efficiency and Reynolds number

?效率随雷诺数(Re)增大而升高；CTPCT/ETSC(TiO?, Fr50%)在Re＝525.82时η_Ex＝0.90居首，印证较高Re下两相传质稳、熵产相对小、太阳?利用率高。

讨论与结论总结

研究表明，CTPCT集成ETSC并以TiO? nanofluid为工质在Fr50%时取得最佳热(η_th＝95%)与?(η_Ex＝90%)性能，波纹几何引发二次流、促核态沸腾及改善冷凝液重力回流，协同纳米流体增强导热与润湿，有效克服传统TPCT于45°倾角之传热限制及溢流瓶颈。热阻、传热系数、熵产及压力波动分析一致佐证该构型强化相变传热并降不可逆损失。未来需考察长期循环稳定性、腐蚀影响及实地全尺寸验证，并探索螺旋/螺旋波纹、混合纳米流体等进一步优化方向。