基于广义Mie理论的辐射制冷数值模拟研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:maldininikanjun
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随着社会的高度发展,人们对制冷需求日益增加。降温制冷设备每年所消耗的能量占总能耗的27%左右,造成了温室效应、空气污染等环境污染问题,因此获得一种高效环保的节能方式刻不容缓。辐射制冷是一种零耗能、可再生的被动制冷方式,而加入微纳米粒子的辐射冷却器具有制作简单、成本低廉、可以昼夜使用等优点,具有工业化应用的巨大潜力。目前研究中聚合物通常被视为非吸收性介质,但是在实际情况下具有吸收性能。本课题采用广义Mie理论求解吸收性介质中粒子系光谱特性,然后采用蒙特卡洛方法求解纳米粒子在薄膜的辐射传输过程,计算微/纳米粒子-吸收性介质薄膜的辐射特性。在此基础上,本课题探究了当处于不同粒径分布纳米粒子系时的辐射特性,包括单粒径分布、混合粒径分布和非均匀粒径分布,并且分析了薄膜结构的冷却功率。(1)对于单粒径聚合物薄膜结构,采用CaCO3、ZnO微纳米粒子分别加入实验测得的3种吸收性介质(PMMA、PDMS和TPX),模拟了薄膜结构在0.220μm波段的光谱特性,探究了粒子粒径d、粒子体积分数fv、薄膜厚度h的影响。最终得到了优化结构:PMMA和PDMS薄膜的辐射制冷性能相似,都优于TPX薄膜。ZnO-PMMA薄膜白天的制冷功率为167.41W/m2,夜晚的的制冷功率为216.55W/m2,与CaCO3-PMMA薄膜的辐射制冷效果类似。ZnO-PDMS白天的制冷功率为171.48W/m2,夜晚的制冷功率为215.26W/m2,明显优于CaCO3-PDMS薄膜。CaCO3-TPX薄膜不可以在白天使用,而ZnO-TPX薄膜白天的制冷功率为59.91W/m2,夜晚的制冷功率为212.19W/m2。(2)对于多粒径聚合物薄膜结构,选择在吸收性介质材料PMMA和PDMS中分别加入CaCO3和ZnO微纳米粒子,探究了混合粒径粒子系、非均匀粒径粒子系的光谱辐射特性以及对应的辐射制冷问题。混合粒径组合的设计思路是采用可见光波段反射率最高的粒子为主要部分,掺杂在紫外波段和近红外波段反射率较高的粒子,通常采用粒径相邻的粒子组合会得到最好的优化效果。均匀结构和非均匀粒径的吸收系数和散射系数存在明显的差异,相对误差最大可达61.54%。在太阳辐射波段,均匀结构的反射率高于非均匀结构。而对于大气窗口的发射率差别很小,均匀结构白天的辐射制冷效果强于非均匀结构。
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