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 23-19-00840

НазваниеГидродинамика и теплоперенос при испарении, кипении и конденсации рабочих жидкостей на поверхности гибридных графеновых композитов применительно к перспективным направлениям традиционной и альтернативной энергетики

РуководительМихайлова Инна Александровна, Кандидат технических наук

Прежний руководитель Дмитриев Александр Сергеевич, дата замены: 15.02.2024

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словаГидродинамика, теплообмен, графеновые композиты, испарение, кипение, конденсация

Код ГРНТИ44.31.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен исследованиям в области гидродинамики и тепломассообмена (испарение, кипение, конденсация) различных рабочих жидкостей (вода и водные растворы, спирты и растворы полимеров, а также наножидкости) на поверхности и в тонких слоях гибридных графеновых композитов применительно к перспективным направлениям традиционной (тепловой и атомной) энергетики и альтернативной энергетики (в основном, солнечной тепловой энергетики и солнечной термоэлектрической энергетики), а также в системам хранения тепловой энергии на базе материалов с фазовыми переходами. Целью настоящего проекта является решение фундаментальных и прикладных задач, связанных с исследованием двумерных материалов, включая графен и другие компоненты, применительно к процессам в различных энергетических устройствах (системы пассивного и активного охлаждения электронных и энергетических устройств, защита электронных устройств от электромагнитного излучения и электромагнитного шума, материалы для хранения тепловой энергии, материалы для конверсии тепловой энергии в электрическую – термоэлектрическое преобразование, материалы для конверсии солнечного планковского излучения в пар и т.п.). Предполагается выполнить исследования различных наножидкостей, в основном, на базе графеновых нанохлопьев в качестве добавок и наполнителей разного типа рабочих жидкостей, их оптических и тепловых свойств в широком диапазоне температур (для систем термоменеджмента и термостабилизации энергетических и электронных устройств, для печати гибкой электроники, применительно к задачам тепловой солнечной энергетики и т.п.). Помимо этого, будут исследованы гибридные многокомпонентные композитов со специальными функциональными свойствами для увеличения или снижения теплопроводности, управления прочностью и пластичностью, а также специальными функциональными поверхностями с регулируемой смачиваемостью и растеканием жидкости, испарением, кипением и конденсацией на подобных поверхностях, избирательными электромагнитными свойствам и другими параметрами. Актуальность данного проекта связана с отсутствием масштабных исследований в области двумерных материалов как компонентов более сложных систем с заданными функциональными свойствами, фактическое отсутствие серьезных исследований для графеновых наножидкостей или гибридных графеновых жидкостей (с добавлением других нанокомпонентов и ультрадисперсных частиц), недостаточные знания о поведении гибридных графеновых нанокомпозитов и нанокомпозитов с добавками других двумерных материалов, особенно в широкой области температур, при наличии электромагнитных полей, особенностей смачивания поверхностей, процессов испарения, кипения и конденсации, а также кристаллизации разнообразных жидкостей, включая наножидкости, и т.п. Несмотря на определенное число опубликованных результатов, многие вопросы изучены совершенно недостаточно, особенно в целях их использования для традиционной или альтернативной энергетики. Имеющиеся опытные данные и теоретические модели не отвечают современным подходам, имеют высокую неопределенность в полученных результатах и не могут служить основой для решения инженерных задач.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты и их значимость 1. Разработка и создание научных стендов для изучения наножидкостей с целью изучения процессов их взаимодействия с излучением солнечного спектра для задач солнечной теплоэнергетики. На основе созданных экспериментальных установок будут получены пионерские данные по влиянию концентрации, числа двумерных слоев, морфологии, геометрии и других факторов на физико-химические свойства наножидкостей и композитных материалов. Будут построены оптические спектры поглощения наножидкостей (включая графеновые и комбинированные наножидкости) применительно к задачам солнечной теплоэнергетики, а также для задач нанесения электро- и теплопроводящих тонких покрытий на различные подложки применительно к созданию устройств гибкой электронике и тонкопленочных гибких сенсоров. 2. Изучение методов синтеза новых гибридных нанокомпозитов на основе двумерных материалов (графен и его вариации, другие двумерные материалы и т. д.). Будут представлены новые подходы к технологиям создания гибридных графеновых композитов, как объемных материалов или тонких пленок на поверхности подложки, без использования традиционных методов напыления, химического осаждения из паровой или жидкой фазы и т.п. Будут получены новые экспериментальные данные по влиянию концентрации, числа двумерных слоев, морфологии, геометрии и других факторов на физико-химические свойства графеновых гибридных композитных материалов. Будут построены теоретические модели поведения гибридных графеновых композитов, в частности, для описания механизмов теплопереноса. 3. Получены новые экспериментальные данные по исследованию наножидкостей с двумерными компонентами в магнитном поле, особенности поведения оптических, тепловых и электрофизических свойств при воздействии магнитных полей, в частности, применительно к новым направлениям солнечной энергетики и процессам охлаждения в термофотовольтаике. Полученные данные позволят провести анализ возможностей использования наножидкостей, в частности, с графеновыми наполнителями для солнечной тепловой энергетики. Помимо этого, будут выполнены исследования и получены новые данные по использованию графеновых нанопористых материалов для получения чистой и обессоленной воды. 4. Будут созданы оригинальные образцы графеновых и гибридных графеновых наноструктур. Будут изучены и решены задачи гидродинамики и тепломассообмена при движении рабочих жидкостей и наножидкостей в мезоскопических и наноканалах, нанопористых материалах (гибридные графеновые композиты и т. д.), получение данные по гидродинамике впитывания, испарении, кипении и конденсации внутри указанных структур. Проведен цикл экспериментальных исследований по динамике рабочих жидкостей под действием внешнего нагрева, включая лазерное и солнечное излучение, а также внешнее магнитное поле, Разработаны и реализованы математические модели тепломассообмена и гидродинамики жидкостей при воздействии радиационных потоков (солнечного и лазерного излучения). Подобные исследования направлены на понимание процессов в перспективных установках солнечной теплоэнергетики, получения чистой воды, системах эффективного охлаждения электронных и энергетических устройств. 5. Для целей защиты от электромагнитного излучения и парирования электромагнитных помех будут исследованы процессы распространения электромагнитного излучения (поглощение, рассеяние и прохождение) через наножидкости и нанокомпозиты из двумерных материалов и компонентов, а также применительно к солнечной тепловой энергетике, термофотовольтаике, системам термоэлектрического преобразования энергии. 6. Впервые будут проведены измерения электропроводности и контактного электросопротивление наножидкостей с твердыми телами, включая гибридные нанокомпозиты на основе двумерных компонентов. Впервые будут исследованы режимы термического контактного сопротивления (термосопротивление Капицы) на границах разделах наножидкостей с твердыми телами, получены оригинальные данные об эффективности переноса тепла через межфазные границы наножидкости-твердое тело. Построены модели термического контактного сопротивления с учетом особенностей межфазных границ наножидкости-гибридные графеновые композиты. Подобные результаты позволяют разработать и создать новые технологии охлаждения электроники (иммерсионное и испарительное охлаждение дата-центров или компонентов и блоков электроники и энергетических устройств (литий-ионные батареи, энергетические фотоячейки и термофотовольитаические установки). 6. Будут выполнены исследования теплопереноса через тонкие графеновые пленки, включая задачи комбинированного теплопереноса с учетом испарения из нанопористого материала применительно к задачам термостабилизации энергетических устройств. Будут разработаны и реализованы математические модели теплопереноса через графеновые микропленки, впервые учтен вклад поглощения электромагнитного излучения при диссипации тепловой мощности внутри термоинтерфейсных структур). Решенные задачи позволят разработать перспективные технологии термостабилизации энергетических устройств нового поколения, разработать, создать и вывести на рынок новые перспективные материалы. 7. Будут выполнены исследования нанопористых композитов применительно к испарению жидкостей, а также к системам обессоливания и получения чистой воды. Впервые будут изготовлены новые комбинированные мембраны на базе графена с большими латеральные размерами, с варьируемой "скомканностью", а также упрочненные толстые мембраны, усиленные металлическими микросетками и микрострунами для различных технологических процессов, включая системы накопления тепловой энергии, очистки и сепарации органических продуктов, очистки и обессоливания воды. 8. В рамках проекта планируется изучить процессы испарения и кипения рабочих жидкостей, включая наножидкости, на поверхностях графеновых нанокомпозитов, а также на специально созданных неоднородных поверхностях (струны, сетки и т.п.), применительно к задачам традиционной (тепловая и атомная) и перспективной энергетики (солнечная и комбинированная теплоэнергетика). Планируется разработка и валидация математических моделей испарения из нанопористых графеновых и гибридных графеновых структур. В результате выполнения проекта будут изготовлены и протестирвоаны различные варианты материалов для эффективного испарения и кипения. 9. Будет проведено изучение свойств гибридных нанокомпозиов, а также термоэлектрического и гибридного охлаждения применительно к системам термостабилизации энергетических устройств (твердотельные источники освещения (светодиоды), литий-ионные батареи (и другие, включая литий-металлические), электронных и оптоэлектронных блоков в энергетических системах и т. д. Будут разработаны карты эффективного использования различных схем активного термоменеджмента, изготовлены и протестированы образцы комбинированного охлаждения на уровне и выше существующих мировых аналогов. 10. В рамках проекта будут также исследованы двумерные гибридные материалы в качестве систем хранения и конверсии тепла в альтернативных энергетических технологиях, а также в качестве тепловых ключей для широкого спектра применений (микророботы, сенсоры, блоки управления сухим трением и т.п.). Планируется изготовление образцов различных гибридных графеновых композитов на базе полимеров и/или органических материалов для измерений их теплоемкости, внутренней энтальпии и латентной теплоты фазового перехода применительно к созданию новейших перспективных накопителей тепловой энергии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения исследования по настоящему гранту основное внимание было уделено взаимодействию различных объемов жидкости, в том числе с содержанием нанодисперсной засыпки графена, с солнечным излучением. Помимо этого, были проведены эксперименты по созданию новых мультифазных материалов, как жидких, так и аморфных, новых графен-содержащих структур. Все описанные ниже результаты получены на вновь разработанных и созданных исследовательских стендах (рис.1–4 в файле с дополнительными материалами). 1. Нагрев и испарение графеновой наножидкости во вращающемся объеме, нагреваемом имитатором солнечного излучения: • Скорость испарения воды сильно зависит от направления облучения, концентрации графеновых нанохлопьев (рис. 5а) и скорости вращения (рис. 5б). При облучении сбоку по мере повышения концентрации графеновых нанохлопьев скорость испарения увеличивается и достигается максимального значения при объемной концентрации 0.1%, затем падает при повышении концентрации до 0.5 и 1.0%. В случае облучения сверху графеновая наножидкость при всех концентрациях испаряется медленнее, чем дистиллированная вода. Показано, что скорость испарения монотонно возрастает с увеличением скорости вращения потока. • Все образцы графеновой наножидкости демонстрируют улучшенный объемный нагрев по сравнению с дистиллированной водой. При этом образец с объемной концентрацией 0.5% нагревается наиболее эффективно (рис.6). Кроме того, величина стабилизированной температуры образцов уменьшается по мере повышения скорости вращения, что связано с ростом тепловых потерь через процесс испарения. Показано, что применением теплоизоляции можно улучшить нагрев примерно на 5%. • Анализ температурного поля межфазной поверхности «жидкость – воздух» показал, что эффекты от облучения сбоку и сверху отличаются. Показано, что графеновая пленка на поверхности и коагулированный графен в случае облучения сбоку нагреваются слабее, чем базовая жидкость. При облучении сверху графеновая пленка нагревается до весьма высокой температуры примерно равной 140°С, что существенно превышает температуру насыщения воды при атмосферном давлении. • Процесс вынужденного вращения графеновой наножидкости приводит к усилению процесса коагуляции графеновых нанохлопьев. Кроме того, формирование графеновой пленки на межфазной поверхности также уменьшает общую площадь поверхности испарения воды. Данные факторы существенно влияют на эффективность процесса нагрева и испарения. При решении этих проблем можно ожидать более заметного улучшения при нагреве и испарении графеновой наножидкости. • Ориентация внешнего магнитного поля сильно влияет на оптические и тепловые свойства наножидкости (рис.7). Так при параллельной ориентации магнитных линий относительно направлению распространения излучения пропускание увеличивается на 15%. А когда магнитные линии направлены перпендикулярно направлению распространения излучения, образец графенового коллоида с концентрацией дисперсной фазы 0.1% ослабляет излучение эффективнее примерно на 5%. Однако, в первом случае нагрев и испарение эффективнее примерно на 6%. 2. Динамика испарения капель дистиллированной воды и жидкостей с наночастицами диэлектрических материалов, включая диоксид титана, диоксид кремния и наноалмаз: • По мере повышения объемной концентрации наночастиц скорость испарения сначала резко увеличивается и затем выходит на стабильный уровень при достижении критической концентрации, индивидуальной для каждого материала дисперсной фазы (рис.8). • Под действием излучения капли испаряются в основном в двух режимах: режим «прилипания-скольжения» и режим постоянного контактного диаметра. Первый режим характерен для капель с меньшей концентрацией наночастиц. Второй режим реализуется у капель с критической или более высокой концентрациями наночастиц. Весь процесс испарения капель можно разделить на три стадии: начальная стадия с растеканием капель, основная и конечная стадия. • Аналогично случаю с облучением больших объемов скорость испарения капель существенно зависит от ориентации источника света. При повышении угла между поверхностями солнечного имитатора и подложки от 0° до 90°, приращение скорости испарения капель TiO2/H2O 30 ppm над каплями дистиллированной воды уменьшается с 32.5 до 8.9% соответственно. Отсюда следует, что наиболее эффективно капли испаряются при их облучении вертикально сверху (рис.9). • Тип материала подложек влияет на эффективность испарения капель. В данном исследовании получено, что капли на алюминиевой подложке испаряются медленнее по сравнению с испарением на стеклянной и кремниевой подложках. Абсолютное приращение скорости испарения капель TiO2/H2O 30 ppm над каплями дистиллированной воды почти одинаково для всех рассматриваемых подложек. 3. Эффект Лейденфроста на двух параллельных нагреваемых струнах • Впервые получено описание поведения капель воды на перегретых до 400+ °С параллельных металлических струнах. Обнаружено, что при подобных температурах капли левитируют над срединной плоскостью струн (рис.10). Это явление может сопровождаться покоящимся состоянием, а также как хаотичным, так и направленным линейным перемещением капель. Характер поведения зависит от рельефа струн. С ростом температуры поверхности струн уменьшалось среднее время жизни капли (рис.11). • Получены характерные диапазоны температур нагревательных струн, для которых поведение капель радикально отличалось. На струнах с температурой 300–350 °С капли мгновенно выкипают. При температуре выше 420°С капли либо проваливаются между струн, либо неподвижно левитируют. При 450°С примерно 10% наносимых капель начинает линейно перемещаться в определенном направлении. С дальнейшим увеличении температуры струн эта пропорция меняется. При 590 °С все наносимые капли перемещаются. На струнах с плотной обмоткой ситуация с температурной зависимостью была практически такой же, за исключением того, что не наблюдалось стационарной левитации всплывания капель. Оребрение струн показало обратный эффект повышения температуры на время жизни капель на струнах (рис.11) • Эксперименты показали, что направление линейного движения зависит от ориентации витков обмотки. Капля, левитирующая над струнами, движется к вершине «елочки». В ситуациях, когда направление обмотки на двух струнах не симметрично (однонаправленно), капля, как правило, остается недвижимой. Зато в таком состоянии капель было обнаружено вращающееся движение вокруг своей оси. 4. Разработана одномерная гомогенная модель поглощения солнечного излучения планковского спектра и нагрева наножидкостей (НЖ). Показано, что для соответствия экспериментальных и теоретических результатов, необходим учет всех свойств НЖ и их взаимодействия с солнечным излучением. Доказано, что существует оптимальная концентрация наночастиц для объемного нагрева НЖ при определённой их толщине. Для рассматриваемых НЖ из наночастиц Au, TiO2, SiO2 и наноалмаза теоретическая оценка дала значение массовой доли наночастиц, равной 0,5%, для слоя наножидкостей 100 мм. Все решенные авторским коллективом задачи в рамках работ по проекту 2023г. полностью оригинальны. Для ряда разработанных и полученных в проекте коллоидных наножидкостей (как нового перспективного класса теплоносителей и рабочих жидкостей в энергетике) ранее не исследовались теплофизические и гидродинамические свойства. Все перечисленные направления исследований отвечают передовым направлениям разработок мирового уровня и являются перспективными для использования в системах солнечной теплоэнергетики, в том числе в солнечной теплоэнергетике на основе паровой генерации. Помимо исполнителей проекта, в нем принимали участие студенты-бакалавры и магистры, выполняя свои дипломные работы по темам, близким к теме проекта. Их презентации, выступления на семинарах и конференциях всегда привлекали внимание студентов других курсов и аспирантов.

Публикации

1. А.С.Дмитриев, А.В.Клименко Two-dimensional materials in energy technologies: thermophysical aspects E3S Web of Conferences 459, 08002 (2023) XXXIX Siberian Thermophysical Seminar, https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345908002, A.S. Dmitriev, A.V. Klimenko. Two-dimensional materials in energy technologies: thermophysical aspects // E3S Web of Conferences 459, 08002 (2023), XXXIX Siberian Thermophysical Seminar (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345908002

2. Артамонов А.В., Дмитриев А.С., Макаров П.Г. Эффект Лейденфроста на струнах Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып. 18, с.16-19, Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып. 18, с.16-19 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.18.56171.19629

3. Дмитриев А.С., Михайлова И.А., Чан К.Т. Особенности нагрева и испарения вращающейся графеновой наножидкости под действием солнечного излучения ГРАФЕН И РОДСТВЕННЫЕ СТРУКТУРЫ: СИНТЕЗ, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ (GRS–2023) Материалы V Международной научно-практической конференции (Тамбов, 12–13 октября 2023 г.). – c. 146–149., V Международная научно-практическая конференция «ГРАФЕН И РОДСТВЕННЫЕ СТРУКТУРЫ: СИНТЕЗ, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ» (12–13 октября 2023, г. Тамбов): сборник трудов конференции. – c. 146–149. (год публикации - 2023)

4. К. Т. Чан, *, А. С. Дмитриев, П. Г. Макаров, И. А. Михайлова ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ НАНОЖИДКОСТЕЙ НА ПОДЛОЖКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2023, том 85, № 6, с. 837–848, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ НАНОЖИДКОСТЕЙ НА ПОДЛОЖКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2023, том 85, № 6, с. 837–848 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0023291223600761

5. Макаров П.Г., Дмитриев А.С., Артамонов А.В., Дроздов А.П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ ПРИ ЭФФЕКТЕ ЛЕЙДЕНФРОСТА НА СИЛЬНО ПЕРЕГРЕТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУНАХ Макаров П.Г., Дмитриев А.С., Артамонов А.В., Дроздов А.П. Экспериментальное исследование движения капель при эффекте Лейденфроста на сильно перегретых металлических струнах // Тепловые процессы в технике. 2023. Т. 15. No 10. С. 468–478., Макаров П.Г., Дмитриев А.С., Артамонов А.В., Дроздов А.П. Экспериментальное исследование движения капель при эффекте Лейденфроста на сильно перегретых металлических струнах // Тепловые процессы в технике. 2023. Т. 15. No 10. С. 468–478. (год публикации - 2023)

6. Чан Куок Тхинь, А.С. Дмитриев Объемный нагрев и поверхностное испарение наножидкостей под воздействием солнечного излучения Вестник МЭИ. 2023. No 6. С. 110—119., Чан Куок Тхинь, Дмитриев А.С. Объемный нагрев и поверхностное испарение наножидкостей под воздействием солнечного излучения // Вестник МЭИ. 2023. No 6. с.110—119. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-110-119. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24160/1993-6982-2023-6-110-119

7. Чан Куок Тхинь, Дмитриев А.С., Макаров П.Г. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТАБИЛЬНОСТИ НАНОЖИДКОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДНЫХ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ Оптические методы исследования потоков: Труды XVII Международной научно-технической конференции, 26– 30 июня 2023. – М.: НИУ МЭИ, 2023. – c. 760–769., Чан Куок Тхинь, Дмитриев А.С., Макаров П.Г. 17-я Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков 2023» (26–30 июня 2023, г. Москва): сборник трудов конференции. – c. 760–769. (год публикации - 2023)

8. Дмитриев А.С., Макаров П.Г., Михайлов В.В., Михайлова И.А., Чан К.Т. Закрученные потоки графеновых наножидкостей для оптимизации процессов генерации пара в тепловой солнечной энергетике ТЕПЛОМАССООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ Тезисы докладов IX Международной конференции. Нижний Новгород, 2023 Издательство: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород). – c. 123–124., Дмитриев А.С., Макаров П.Г., Михайлов В.В., Михайлова И.А., Чан К.Т. IX Международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (10 – 12 октября 2023, г. Нижний Новгород): сборник трудов конференции. – c. 123–124. (год публикации - 2023)