Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phân tích năng lượng và exergy của hệ thống bơm nhiệt nguồn đất với bộ trao đổi nhiệt dạng xoắn hỗ trợ bởi nanofluid
Tóm tắt
Bài viết này chứa đựng kết quả phân tích thực nghiệm trong điều kiện môi trường thực tế về việc sử dụng $$\hbox{Al}_2\hbox{O}_3$$-based nanofluid (NF) với các tỷ lệ nồng độ khác nhau (0.1% và 0.2%) trong hệ thống bơm nhiệt nguồn đất (GSHP) có bộ trao đổi nhiệt dưới đất (GHE) dạng xoắn. Hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy của hệ thống được nghiên cứu dựa trên dữ liệu thu được từ kết quả thực nghiệm của chất lỏng cơ sở (ethylene glycol (EG)-nước) (tỷ lệ thể tích EG 25%) và NF với các tỷ lệ nồng độ $$\hbox{Al}_2\hbox{O}_3$$ là 0.1% và 0.2%. Mô hình exergy được thiết lập bằng cách áp dụng các phương trình năng lượng và exergy cho từng thành phần của hệ thống. Hiệu suất exergy của các thành phần hệ thống được đánh giá riêng lẻ và tiềm năng cải thiện của chúng được trình bày. Theo kết quả phân tích năng lượng, hệ số hiệu suất tổng thể (COP) của hệ thống cho chất lỏng cơ sở và NF với tỷ lệ nồng độ 0.1% và 0.2% lần lượt là 4.30, 4.38 và 4.34. Những kết quả này cho thấy NF góp phần vào hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên, việc tăng hiệu suất của hệ thống không đạt được do sự gia tăng nồng độ NF; ngược lại, một sự giảm hiệu suất đã được quan sát. Hiệu suất exergy của hệ thống cho chất lỏng cơ sở và NF với tỷ lệ nồng độ 0.1% và 0.2% lần lượt là 88.3%, 89.7% và 89.0% cho đơn vị bơm nhiệt, trong khi các giá trị này là 78.7%, 79.3% và 79.0% cho toàn bộ hệ thống. Kết quả cho thấy việc sử dụng NF với tỷ lệ nồng độ thấp làm tăng hiệu suất năng lượng và exergy của hệ thống.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Emmi G, Zarrella A, De Carli M, Galgaro A. An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates. Energy Convers Manag. 2015;106:660–75.
Etemoglu AB, Can M. Classification of geothermal resources in Turkey by exergy analysis. Renew Sustain Energy Rev. 2007;11:1596–606.
Kavanaugh S, Rafferty K. Geothermal heating and cooling: design of ground-source heat pump systems. 2014;. p. 420.
Naranjo-Mendoza C, Oyinlola MA, Wright AJ, Greenough RM. Experimental study of a domestic solar-assisted ground source heat pump with seasonal underground thermal energy storage through shallow boreholes. Appl Therm Eng. 2019;162:114218.
Alshehri F, Beck S, Ingham D, Ma L, Pourkashanian M. Techno-economic analysis of ground and air source heat pumps in hot dry climates. J Build Eng. 2019;26:100825.
Esen H, Inalli M, Esen M. Technoeconomic appraisal of a ground source heat pump system for a heating season in eastern Turkey. Energy Convers Manag. 2006;47:1281–97.
Lei Y, Tan H, Li Y. Technical-economic evaluation of ground source heat pump for office buildings in China. Energy Procedia. 2018;152:1069–78.
Seo Y, Seo UJ, Kim JH. Economic feasibility of ground source heat pump system deployed in expressway service area. Geothermics. 2018;76:220–30.
Yin P, Pate M, Battaglia F. In-field performance evaluation and economic analysis of residential ground source heat pumps in heating operation. J Build Eng. 2019;26:100932.
Council European Geothermal Energy. EGEC Geothermal Market Report. 2018;2019.
Chiam HW, Azmi WH, Usri NA, Mamat R, Adam NM. Thermal conductivity and viscosity of Al2O3 nanofluids for different based ratio of water and ethylene glycol mixture. Exp Therm Fluid Sci. 2017;81:420–9.
Goudarzi K, Jamali H. Heat transfer enhancement of \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)-EG nanofluid in a car radiator with wire coil inserts. Appl Therm Eng. 2017;118:510–7.
Fotukian SMM, Esfahany MN, Nasr Esfahany M. Experimental investigation of turbulent convective heat transfer of dilute gamma-\(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)/water nanofluid inside a circular tube. Int J Heat Fluid Flow. 2010;31:606–12.
Hung YH, Teng TP, Teng TC, Chen JH. Assessment of heat dissipation performance for nanofluid. Appl Therm Eng. 2012;32:132–40.
Krishnakumar TS, Viswanath SP, Varghese SM, Prakash MJ. Experimental studies on thermal and rheological properties of \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)-ethylene glycol nanofluid. Int J Refrig. 2018;89:122–30.
Moghaieb HS, Abdel-Hamid HM, Shedid MH, Helali AB. Engine cooling using \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)/water nanofluids. Appl Therm Eng. 2017;115:152–9.
Peyghambarzadeh SM, Hashemabadi SH, Hoseini SM, Seifi Jamnani M. Experimental study of heat transfer enhancement using water/ethylene glycol based nanofluids as a new coolant for car radiators. Int Commun Heat Mass Transf. 2011;38:1283–90.
Syam Sundar L, Kirubeil A, Punnaiah V, Singh MK, Sousa ACM. Effectiveness analysis of solar flat plate collector with \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\) water nanofluids and with longitudinal strip inserts. Int J Heat Mass Transf. 2018;127:422–35.
Kulkarni DP, Das DK, Vajjha RS. Application of nanofluids in heating buildings and reducing pollution. Appl Energy. 2009;86:2566–73.
Chandrasekar M, Suresh S, Chandra Bose A. Experimental studies on heat transfer and friction factor characteristics of \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)/water nanofluid in a circular pipe under laminar flow with wire coil inserts. Exp Therm Fluid Sci. 2010;34:122–30.
Albadr J, Tayal S, Alasadi M. Heat transfer through heat exchanger using \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\) nanofluid at different concentrations. Case Stud Therm Eng. 2013;1:38–44.
Darzi AAR, Farhadi M, Sedighi K. Heat transfer and flow characteristics of \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)-water nanofluid in a double tube heat exchanger. Int Commun Heat Mass Transf. 2013;47:105–12.
Kim S, Tserengombo B, Choi SH, Noh J, Huh S, Choi B, et al. Experimental investigation of heat transfer coefficient with \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\) nanofluid in small diameter tubes. Appl Therm Eng. 2019;146:346–55.
Kim S, Song H, Yu K, Tserengombo B, Choi SH, Chung H, et al. Comparison of CFD simulations to experiment for heat transfer characteristics with aqueous \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\) nanofluid in heat exchanger tube. Int Commun Heat Mass Transf. 2018;95:123–31.
Fujii H, Nishi K, Komaniwa Y, Chou N. Numerical modeling of slinky-coil horizontal ground heat exchangers. Geothermics. 2012;41:55–62.
Habibi M, Hakkaki-Fard A. Evaluation and improvement of the thermal performance of different types of horizontal ground heat exchangers based on techno-economic analysis. Energy Convers Manag. 2018;171:1177–92.
Kapıcıoğlu A, Esen H. Experimental investigation on using \(\text{ Al}_{2}\text{ O}_{3}\)/ethylene glycol-water nano-fluid in different types of horizontal ground heat exchangers. Appl Therm Eng. 2019;165:114559.
Kim MJ, Lee SR, Yoon S, Go GH. Thermal performance evaluation and parametric study of a horizontal ground heat exchanger. Geothermics. 2016;60:134–43.
Yoon S, Lee SR, Go GH. Evaluation of thermal efficiency in different types of horizontal ground heat exchangers. Energy Build. 2015;105:100–5.
Congedo PM, Colangelo G, Starace G. CFD simulations of horizontal ground heat exchangers: a comparison among different configurations. Appl Therm Eng. 2012;33–34:24–32.
Diglio G, Roselli C, Sasso M, Jawali Channabasappa U. Borehole heat exchanger with nanofluids as heat carrier. Geothermics. 2018;72:112–23.
Esen H, Inalli M, Esen M, Pihtili K. Energy and exergy analysis of a ground-coupled heat pump system with two horizontal ground heat exchangers. Build Environ. 2007;42:3606–15.
Menberg K, Heo Y, Choi W, Ooka R, Choudhary R, Shukuya M. Exergy analysis of a hybrid ground-source heat pump system. Appl Energy. 2017;204:31–46.
Deymi-Dashtebayaz M, Maddah S, Goodarzi M, Maddah O. Investigation of the effect of using various HFC refrigerants in geothermal heat pump with residential heating applications. J Therm Anal Calorim. 2020;141:361–72.
Qiao Z, Long T, Li W, Zeng L, Li Y, Lu J, et al. Performance assessment of ground-source heat pumps (GSHPs) in the Southwestern and Northwestern China: In situ measurement. Renew Energy. 2020;153:214–27.
Serageldin AA, Sakata Y, Katsura T, Nagano K. Performance enhancement of borehole ground source heat pump using single U-tube heat exchanger with a novel oval cross-section (SUO) and a novel spacer. Sustain Energy Technol Assess. 2020;42:100805.
Zhou K, Mao J, Li Y, Hua Z. Comparative study on thermal performance of horizontal ground source heat pump systems with Dirichlet and Robin boundary conditions on ground surface. Energy Convers Manag. 2020;225:113469.
Zhao W, Zhang Y, Chen X, Su W, Li B, Fu Z. Experimental heating performances of a ground source heat pump (GSHP) for heating road unit. Energy Convers Manag X. 2020;7:100040.
Du R, Jiang DD, Wang Y, Wei Shah K. An experimental investigation of CuO/water nanofluid heat transfer in geothermal heat exchanger. Energy Build. 2020;227:110402.
Rostami S, Aghaei A, Hassani Joshaghani A, Mahdavi Hezaveh H, Sharifpur M, Meyer JP. Thermal-hydraulic efficiency management of spiral heat exchanger filled with Cu-ZnO/water hybrid nanofluid. J Therm Anal Calorim 2020;1–14.
The World Health Organization. Housing, energy and thermal comfort. World Health Organization Regional Office for Europe; 2007; Denmark.
Lohani SP, Schmidt D. Comparison of energy and exergy analysis of fossil plant, ground and air source heat pump building heating system. Renew Energy. 2010;35:1275–82.
Çengel YA, Boles MA. Thermodynamics an engineering approach, vol. 978;2013.
Kotas TJ. The exergy method of thermal plant analysis, vol. 296. 1985.
Hepbasli A, Akdemir O. Energy and exergy analysis of a ground source (geothermal) heat pump system. Energy Convers Manag. 2004;45:737–53.
Holman JP. Experimental methods for engineers. 2011.
Duangthongsuk W, Wongwises S. An experimental study on the heat transfer performance and pressure drop of \(\text{ TiO}_{2}\)-water nanofluids flowing under a turbulent flow regime. Int J Heat Mass Transf. 2010;53:334–44.
Sajid MU, Ali HM. Recent advances in application of nanofluids in heat transfer devices: a critical review. Renew Sustain Energy Rev. 2019;103:556–92.
Li Y, Xie HQ, Yu W, Li J. Investigation on heat transfer performances of nanofluids in solar collector. 2011;89:122–30.
Akbulut U, Acikgoz O, Kincay O, Karakoc TH. Exergetic analysis of a vertical ground-source heat pump system with wall heating/cooling. In: Progress in exergy, energy, and the environment. 2014;305–312.
Ozgener O, Hepbasli A. Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system. Energy Build. 2005;37:101–10.