Кипение наножидкости в солнечном коллекторе: оптимизация и прототипирование

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-79-10481

НазваниеКипение наножидкости в солнечном коллекторе: оптимизация и прототипирование

Руководитель Балакин Борис Викторович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова наножидкость, солнечный коллектор, кипение, излучение, численное моделирование

Код ГРНТИ44.37.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на оптимизацию процесса кипения наножидкости под воздействием внешнего теплового облучения и разработку пилотного прототипа системы "солнечный коллектор-наножидкость" для паровой генерации электрической энергии. Рассматриваемый процесс кардинально отличается от классического кипения на стационарных нагретых поверхностях: облако мобильных наночастиц поглощает лучистый тепловой поток и осуществляют более интенсивный, объемный нагрев системы; по мере достижения наночастицами температуры насыщения жидкости на них начинается нуклеация пузырей пара с последующим разрастанием паровых оболочек вокруг частиц и слиянием оболочек в более крупные паровые пузыри. Наиболее оптимальный состав наножидкости для генерации "солнечного" пара неизвестен, в настоящее время лишь три исследовательские группы (США, КНР, Норвегия) преуспели в экспериментальном воспроизведении процесса с использованием естественного солнечного света (или его симуляции). Предполагается, что концентрация частиц в фототермической системе должна быть меньше, чем в наножидкостях, применяемых в качестве теплоносителей в электронике; вопрос необходимости обеспечения устойчивости частиц к агломерации остается открытым. Такое нестандартное кипение определяется сложной комбинацией оптических, теплофизических, термо- и гидродинамических явлений, и оптимизация состава наножидкости невозможна без развития подхода к теоретическому описанию явления. Первая фаза проекта предполагает разработку трехфазной численной CFD-модели процесса и ее верификации с использованием экспериментальных данных, в сотрудничестве с каждой из трех зарубежных научных групп. Предшествующими исследованиями было установлено, что удержание наночастиц в наиболее облученной зоне приводит к наилучшим паровым характеристикам системы. В рамках данного проекта предполагается модельное исследование возможности увеличения экспозиции частиц посредством внешнего магнитного поля и установления термомагнитной конвекции в облученной зоне. Поверенная модель далее используется для параметрического анализа процесса путем вариации определяющих безразмерных критериев. Информации о проведении модельных исследований подобного рода в научной периодике не обнаружено. С практической точки зрения, первая фаза проекта позволит определить рабочую точку системы, т.е. наиболее оптимальные: - геометрию солнечного коллектора; - материал, концентрацию и размер наночастиц; - тип несущей жидкости; - кратность солнечной концентрации; - напряженность магнитного поля. Вторая фаза проекта включает разработку и изготовление пилотного прототипа энергетической системы малой мощности (до 2 кВт). Система включает в себя солнечный коллектор с наножидкостью, паровую турбину и инфраструктуру, необходимую для реализации замкнутого парового цикла: конденсатор, питательный насос, система контроля и управления, генератор. Предварительная оценка рынка коммерческих устройств для малой генерации позволила наметить готовые технические решения по каждой части установки. В частности, одним из возможных вариантов может быть малогабаритная турбинная установка от QuasiTurbine при использовании в органическом цикле Ренкина. Наножидкость будет синтезирована своими силами с использованием нанопорошка, полученного в результате сотрудничества с отечественными исследовательскими группами. Поверка КПД прототипа и исследование его функционала планируется на завершающей стадии проекта, с учетом сезона, как в естественных условиях, так и при искусственном облучении коллектора серией ламп с тепловым потоком до 1000 Вт/кв.м. В настоящее время в мире существует лишь один подобный коллектор для производства пара в наножидкости, турбинного цикла в этой системе не реализовано.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Улсет Э.Т., Косински П., Забеднова Ю., Жданеев О.В., Стручалин П.Г., Балакин Б.В. Photothermal boiling in aqueous nanofluids Nano Energy, 50, 339-346 (год публикации - 2018)
10.1016/j.nanoen.2018.05.05

2. Балакин Б.В., Косинска А., Куценко К.В. Pressure drop in hydrate slurries: Rheology, granulometry and high water cut Chemical Engineering Science, 190, 77-85 (год публикации - 2018)
10.1016/j.ces.2018.06.021

3. Балакин Б.В., Куценко К.В. Magnetic enhancement of photothermal heating in ferrofluids Journal of Physics: Conference Series, 1133, 012011 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1133/1/012011

4. Косинска А., Балакин Б.В. Numerical analysis of erosion due to nanoparticles in a pipe elbow Journal of Physics: Conference Series, 1133, 012045 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1133/1/012045

5. Балакин Б.В.,Жданеев О.В., Косинска А.,Куценко К.В. Direct absorption solar collector with magnetic nanofluid: CFD model and parametric analysis Renewable Energy, Volume 136, Pages 23-32 (год публикации - 2019)
10.1016/j.renene.2018.12.095

6. Кузьменков Д.М.,Куценко К.В., Делов М.И., Карелова Д.Г., Балакин Б.В. Numerical studies of boiling in nanofluids exposed to thermal radiation AIP Conference Proceedings (год публикации - 2019)

7. E.T. Ulset, P. Kosinski, B.V. Balakin Solar steam in an aqueous carbon black nanofluid Applied Thermal Engineering (год публикации - 2018)
10.1016/j.applthermaleng.2018.03.038

8. M. Lucas, P. Kosinski, B.V. Balakin Eulerian-Eulerian model for photo-thermal energy conversion in nanofluids AIP Conference Proceedings (год публикации - 2018)

9. Балакин Б.В., Делов М.И.,Кузьменков Д.М.,Лаврухин А.А., Стручалин П.Г., Улсет Э.Т. Кипение наножидкости под действием теплового облучения Сборник трудов XIII международной научно-практической конференции "Будущее атомной энергетики", стр. 152-154 УДК 621.039:5 (год публикации - 2017)

Публикации

7. E.T. Ulset, P. Kosinski, B.V. Balakin Solar steam in an aqueous carbon black nanofluid Applied Thermal Engineering (год публикации - 2018)
10.1016/j.applthermaleng.2018.03.038

8. M. Lucas, P. Kosinski, B.V. Balakin Eulerian-Eulerian model for photo-thermal energy conversion in nanofluids AIP Conference Proceedings (год публикации - 2018)