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