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Introduzione: La convergenza delle dinamiche termiche e fluide
I dispositivi di raccolta dell'energia catturano l'energia ambientale da fonti come calore, movimento, luce o gradienti chimici e la convertono in energia elettrica utilizzabile. Tra i molti fenomeni fisici sfruttati in questi sistemi, l'interazione tra trasferimento termico e flusso fluido si distingue come un fattore determinante critico dell'efficienza e della praticità. Quando gli ingegneri deliberatamente accoppiano il trasporto termico con il movimento fluido, sbloccano i guadagni di prestazioni che non sono in grado di solo processo.
Fondamenti di trasferimento di calore e flusso fluido
Il trasferimento di calore avviene attraverso tre meccanismi principali: conduzione, convezione e radiazione. Conduzione è il trasferimento di energia termica all'interno di un fluido solido o stazionario a causa di collisioni molecolari; è descritto dalla legge di Fourier Convezione comporta il movimento di massa di un fluido (liquido o gas) che trasporta calore da una regione di una
[LT] Flusso di fluido[f] [f]] [f]] [f]] [f]] [f]] [f]] [f]] [f]]] [f]] [f]] [f.] [f.] [f.]] [f.] [f.] [f.]] [f.] [f.]
Quando una superficie calda è esposta a un fluido in movimento, lo strato termico che si sviluppa è diradato dal flusso, aumentando il coefficiente di trasferimento di calore. Questo assottigliamento è particolarmente pronunciato nel flusso turbolento, dove gli ergoni portano continuamente fluido più fresco alla parete e portano via fluido riscaldato.
Il ruolo del flusso fluido nel migliorare il trasferimento di calore per la raccolta di energia
Generatori termoelettrici (TEG)
Il funzionamento del sistema di raffreddamento è molto più rapido e più rapido.
Sistemi termofotovoltaici (TPV)
I dispositivi termoelettrici utilizzano un emettitore termico riscaldato ad alte temperature (di solito 1000–1500 K) per irradiare i fotoni su una cella fotovoltaica. Mentre il meccanismo di trasferimento termico primario è la radiazione, l'emettitore stesso deve essere riscaldato da una sorgente di calore — spesso un concentratore di calore combustibile o solare — dove il flusso di fluido fornisce l'energia termica necessaria.
Raccordi per l'energia piezoelettrica con oscillazioni indotte da fluidi
Anche se i raccoglitori piezoelettrici sono tipicamente associati a vibrazioni meccaniche, il flusso fluido può essere la fonte di tale vibrazione. I dispositivi come le vibrazioni fluide o vortice-indotte (VIV) i raccoglitori utilizzano il flusso di aria o acqua attraverso un corpo bluff per generare pressioni oscillanti che deformano un elemento piezoelettrico.
Considerazioni di progettazione per una sinergia ottimale
Creare un efficiente dispositivo di raccolta di energia che sfrutta pienamente la sinergia tra il flusso e il flusso di calore richiede un'attenta attenzione ai parametri di progettazione multipli.
Selezione del fluido di lavoro
Le proprietà termofisiche del fluido determinano i coefficienti di trasferimento termico convettivo.
Geometria e configurazione di flusso del canale
I sistemi di ottimizzazione dei flussi di energia (LT) sono molto semplici da produrre, ma producono un flusso laminare a basso numero di Reynolds, che produce un numero costante di Nusselt (per il flusso completamente sviluppato) che limita il trasferimento di calore.
Flusso e Gestione della Goccia di Pressione
L'aumento della portata aumenta il coefficiente di trasferimento del calore convettivo, ma aumenta anche la caduta della pressione (circa ].
Selezione dei materiali per superfici scambiatori di calore
I materiali utilizzati per le pareti dello scambiatore di calore influiscono sia sulla resistenza termica che sulla durata. I metalli ad alta conducibilità termica come il rame (≈400 W/m·K) e l'alluminio (≈200 W/m·K) riducono la resistenza alla conduttività e la manufacturabilità.
Applicazioni Esplosione del calore e della sinergia del flusso fluido
Rifiuti industriali di recupero di calore
Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, circa il 20-50% dell’apporto energetico industriale viene perso come calore di scarico, la maggior parte di esso sotto forma di gas di scarico o liquidi caldi. I generatori termoelettrici integrati in pile di scarico o circuiti refrigeranti possono recuperare una parte di quel calore.
Rivestimento solare dell'energia termica
L’energia solare concentrata (CSP) e i collettori solari termici si basano sul flusso di fluido per trasportare il calore dall’assorbente a un blocco di potenza. In piccoli dispositivi, come generatori termoelettrici solari] (STEGs), il ricevitore di assorbimento riscalda un lato di un TEG mentre un liquido di raffreddamento (acqua o aria) mantiene le altre piante laterali raffreddate.
Conversione dell'energia termica dell'oceano (OTEC)
OLT sfrutta la differenza di temperatura tra acqua di mare calda (25-30°C) e acqua di mare profonda fredda (4-6 °C) per guidare un motore di calore. L'acqua calda viene pompata attraverso un evaporatore dove un fluido di lavoro (ad esempio, ammoniaca) vaporizza; il vapore alimenta una turbina; poi l'acqua fredda condensa il vapore in un condensatore.
Pompe di calore geotermiche e raccordi a piccola scala
Le pompe di calore a sorgente terrestre (GSHP) utilizzano la temperatura sotterranea stabile per riscaldare e raffreddare gli edifici. Mentre non sono generalmente considerati raccoglitori di energia (consumano elettricità per spostare il calore), generatori termoelettrici geotermici] che convertono direttamente la differenza di temperatura tra il suolo e l'aria ambiente in energia elettrica sono stati dimostrati.
Le direzioni future e la ricerca emergente
Sistemi fluidi adattivi e intelligenti
Una delle aree più promettenti è lo sviluppo di sistemi adattativi che ottimizzano dinamicamente il flusso di fluido] basato su condizioni in tempo reale. Utilizzando algoritmi di machine learning e sensori incorporati (temperatura, pressione, portata), un controller può modulare velocità della pompa o posizioni valvola per mantenere il TEG al suo punto di potenza massimo come il flusso di calore sorgente oscillazioni.
Nanofluidi e materiali microincapsulati a catena di fase
I nanofluidi continuano ad attirare l'attenzione per la loro capacità di migliorare la conducibilità termica e il trasferimento di calore convettivo. Il lavoro recente si è concentrato su nanofluidi ibridi] che combinano due diversi tipi di particelle (ad esempio, Al2]]]O3]3 fase[FLT]3]3]3]
Arresto dell'energia microfluidica
La gestione del flusso di calore e dei fluidi di tipo elettrogeno (FLT:0], mentre i microgeneratori termoelettrici (] integrano i canali di microscala direttamente nel materiale termoelettrico, permettendo lo scambio di calore su distanze estremamente brevi. L'elevato rapporto tra superficie e volume a microscala consente di ottenere flussi di calore molto elevati e tempi di risposta termica rapidi.
Multifisica Modellazione e Ottimizzazione
La complessità del trasferimento di calore accoppiato, del flusso fluido e della conversione elettrica richiede strumenti di modellazione avanzati. Il CFD è stato associato con l'analisi degli elementi finiti (FEA) per i termoelettrici è ora la pratica di ricerca standard.
Conclusioni
L'efficace integrazione del trasferimento di calore e del flusso fluido non è solo un dettaglio tecnico — è un attivatore fondamentale per molte tecnologie di raccolta di energia. Dai generatori termoelettrici e termofotovoltaici al recupero di calore e ai sistemi solari termici, la capacità di spostare l'energia termica in modo efficiente tramite un fluido fluido fluido che determina direttamente i gradienti di temperatura che alimentano la conversione.