КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-79-10481

НазваниеКипение наножидкости в солнечном коллекторе: оптимизация и прототипирование

РуководительБалакин Борис Викторович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

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

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2017 - 06.2019

КонкурсКонкурс 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 словананожидкость, солнечный коллектор, кипение, излучение, численное моделирование

Код ГРНТИ44.37.00


СтатусУспешно завершен


 

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.

Ожидаемые результаты
Начальная стадия проекта предполагает развитие теории и разработку численной модели кипения наножидкости под действием солнечного облучения, предусмотрена интенсификация процесса под воздействием внешнего магнитного поля, модельная оптимизация композиции наножидкости и геометрии коллектора. Подобная информация отсутствует в современной научной периодике, по данной тематике планируется публикация четырех статей в ACS Nano, HMT, Energy&Fuels и AIChE. Также ожидается обобщенная монография по итогам проекта. Практические результаты включают: - методики производства "солнечных" наножидкостей; - физический прототип солнечного коллектора с системой утилизации пара, эскизная документация. В соответствии с первичными оценками, подобный прототип, при равной мощности, занимает в 6 раз меньше площади и на 30% дешевле, чем солнечные панели, производится без вовлечения масштабных химических мощностей; - возможно получение патента, т.к. предполагаемая система отличается от американской композицией наножидкости и конструкцией.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
За прошедший год были получены следующие теоретические результаты: 1) разработана теория кипения наножидкости под действием внешнего солнечного облучения. Были получены формулы, с помощью которых можно оценить расход и температуру "солнечного" пара в зависимости от концентрации и размера наночастиц, угла падения солнечного света и геометрии солнечного коллектора. 2) для увеличения точности теории парообразования была разработана численная модель, которая учитывает выбег парового пузыря из облученного "горячего" слоя наножидкости. Модельно определен оптимальный размер наночастиц углерода с точки зрения максимальной эффективности процесса фото-термического кипения - 5 мкм. 3) впервые разработана модель процесса поглощения теплового облучения наножидкости в трехмерном солнечном коллекторе. По результатам трехмерного моделирования, выполненного методом многофазной вычислительной гидродинамики (CFD), были определены: - оптимальный угол падения солнечного света. При противоположной направленности векторов облучения и силы тяжести достигается максимальный КПД процесса; - влияние интенсивности естественной конвекции на эффективность поглощения теплового излучения. Увеличение интенсивности конвекции приводит к увеличению КПД процесса до полутора раз; - эффект внешнего магнитного поля, которое дополняет естественную конвекцию термомагнитной в случае использования ферромагнитных наночастиц (марганец-цинковый феррит). КПД процесса растет на 20% при 300 мГс/м относительно случая без магнитного поля. Численные модели и теория кипения были поверены экспериментально. 4) на основе численного моделирования фото-термического кипения (п.2) и анализа размерностей процесса предложена критериальная зависимость для безразмерной частоты формирования пузырей пара в зоне кипения. В сотрудничестве с норвежской научной группой проведено систематическое экспериментальное исследование процесса кипения наножидкости под действием внешнего теплового облучения. Получены следующие результаты: 1) синтезированы наножидкости на водной основе посредством ультразвукового диспергирования в воде наночастиц углерода (51 нм) и оксида железа (184 нм); 2) экспериментально определена оптимальная концентрация наночастиц с точки зрения эффективности процесса. Она варьируется в интервале 1,3-1,9% (по объему), что в 3-4 раза выше оптимумов, определенных ранее экспериментально для процессов естественной конвекции наножидкости и поглощения теплового облучения в наножидкости без парообразования. Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ, додецилсульфат натрия) увеличивает эффективность процесса на 5%. Видео процесса кипения доступно по ссылке: https://solar-nano.com/experiments/ 3) определен уровень чистоты полученного пара. Гидрофобные наночастицы углерода не были обнаружены в паровом конденсате, гидрофильные наночастицы и гидрофобные наночастицы с ПАВ загрязняют конденсат. 4) проведены натурные испытания углеродной наножидкости на водной основе без ПАВ с использованием малого солнечного коллектора на 76% солнечной постоянной. Полученный пар был нагрет до 125 градусов, что превышает табличное значение, соответствующее полученному тепловому потоку. КПД процесса фото-термического кипения составил 73%. Подобные эксперименты с использованием наножидкости были впервые проведены так далеко на севере - на широте Выборга. Видео натурного эксперимента доступно по ссылке: https://solar-nano.com/industrial-prototype/ Осуществлен вариативный расчет прототипа солнечного коллектора-генератора с кипящей наножидкостью, выбрана рабочая точка. Планируется использование наножидкости на водной основе при избыточном давлении 2 атм. Определены основные позиции элементной базы коллектора: параболический солнечный концентратор и паровой двигатель, оба устройства от отечественных поставщиков.

 

Публикации

1. - SolarNano совместный интернет-сайт нашей и норвежской научной групп, We acknowledge support from: I. Russian Science Foundation (project 17-79-10481) (год публикации - ).

2. E.T. Ulset, P. Kosinski, B.V. Balakin Solar steam in an aqueous carbon black nanofluid Applied Thermal Engineering, - (год публикации - 2018).

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

4. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчетный период были получены следующие экспериментальные результаты: 1) разработаны прототипы солнечных электрогенераторов: маломасштабный лабораторный контур с использованием искусственного освещения (галогенные лампы) и полномасштабный потоковый контур на базе гелиоконцентратора (5 кв.м.) с системой ориентации по солнцу. 2) синтезированы водные наножидкости на базе наночастиц графита (от 500 нм) и оксида железа (100 нм) от отечественных производителей. 3) проведены испытания малой лабораторной установки с использованием полученных наножидкостей. Определена наиболее оптимальная объемная концентрация наночастиц, которая составила 1% для наножидкости каждого типа. Выполнен пуск модельной турбины от полученного пара. Впервые обеспечено стабильное замыкание паротурбинного цикла в фототермической системе с наножидкостью. 4) проведено экспериментальное сравнение паропроизводительности прозрачной фототермической системы на основе наножидкости со стандартным парогенератором, в котором кипение происходит на нагретой поверхности. Облученная наножидкость производит на 70% больше пара. 5) введен в эксплуатацию полномасштабный прототип солнечного генератора. Первоначальные тесты показали трехкратное увеличение паропроизводительности относительно по сравнению с лабораторным прототипом. Теоретические результаты включают: 1) полномасштабную, трехмерную и трехфазную численную модель фототермического кипения в парогенераторе установки; подобная модель разработана впервые. 2) по результатам моделирования, выполненного методом многофазной вычислительной гидродинамики (CFD), были определены: - оптимальная ориентация устройства в поле силы тяжести; - геометрия процесса: форма и размеры парогенератора, а также опускного участка для возврата конденсата в систему. Проведенная оптимизация позволяет улучшить эффективность парогенератора в среднем на 30%. 3) результаты численного моделирования поверены экспериментально с использованием данных из научной литературы а также измерений, выполненных на стендах собственной разработки.

 

Публикации

1. - Sun and Nanofluids: MEPhI Launches Unique Power Generation System сайт НИЯУ МИФИ, - (год публикации - ).

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).

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

4. 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).

5. 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).

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. 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).