ГАЗОПЫЛЕВОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Вестник АПК

Агроинженерия -; № 2(14), 2014 " "

УДК 621.184.54

Юров А. И., Фиапшев А. Г., Кильчукова О. Х.

Yurov A. I., Fiapshev A. G., Kilchukova O. K.

ГАЗОПЫЛЕВОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ

GAS AND DUST HIGH-TEMPERATURE HEAT CARRYING AGENT

Описывается необычный феномен мелкодисперсной газопылевой смеси и поднимаются актуальные проблемы по разработке новых высокотемпературных теплоносителей с новыми свойствами и характеристиками. Запатентованный феномен стал возможен за счет высоких современных технологий. При размельчении песка до нано частиц свойства сыпучести песка в газе превращаются в свойства текучести жидкости. Подбирая пару газ - пыль, по многим показателям была определена пара нано частицы кварцевого песка и углекислый газ. Размеры частиц в этих экспериментах не должны превышать 0,1 мк. В таком случае должен обеспечиваться хороший тепломассоперенос. Далее приводится перечень требований, предъявляемых к традиционным теплоносителям, производится сравнение свойств, влияющих на тепломассоперенос, для некоторых веществ в виде таблицы.

Также по проведенному мониторингу и обзору научно-технической литературы были выявлены проблемы по отводу тепла от ядерных реакторов на АЭС, связанных как с надежностью и безопасностью их работы, так и стоимостью систем охлаждения. Приводятся примеры систем охлаждения некоторых типов ядерных реакторов с газовыми и твердыми теплоносителями, но не было обнаружено примеров по использованию газопылевых смесей, возможно, в связи с некоторой инертностью мышления в этом направлении. Нужна свежая мысль.

Ключевые слова: газопылевой, газовый, твердый теплоноситель, тепломассоперенос, системы охлаждения, ядерные реакторы, традиционные теплоносители, нано частицы.

The article describes the phenomenon of fine dust-gas mixture and acute issues on the development of new high-temperature fluids with new properties and characteristics. Patented phenomenon became possible due to high modern technologies. When cutting sand to nano-particles its properties of flowability become similar to ones of fluid. Selecting a pair of gas and dust a pair of quartz nano-particles and carbon dioxide was defined based on many indicators. The sizes of the particles in these experiments must not exceed 0.1 MK. This condition provides good heat and mass transfer. Below we put a list of requirements to the traditional carriers and a table with comparison of properties that affect the heat and mass transfer for certain substances.

The article provides the analysis of the review of scientific literature, identifying issues of heat transfer from nuclear reactors at the nuclear power plant, associated with the reliability and security of their work and the costs for cooling systems. We also introduce examples of cooling systems for certain types of nuclear reactors, with gas and solid coolants, but no examples of using gas and dust mixtures were found. Probably the reason is some kind of inert thinking in this sphere. It needs a fresh idea.

Key words: dust-gas, gas, solid heat carrier, heat mass transfer, cooling systems, nuclear reactors, traditional fluids, nano-particles.

Юров Алексей Иванович -

кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники, гидравлики и охрана труда Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь Тел.: 8-962-492-50-80 E-mail: alexyurov@list.ru

Фиапшев Амур Григорьевич -

кандидат технических наук,

доцент кафедры энергообеспечения предприятий Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В. М. Кокова г. Нальчик

Тел.: 8-903-490-32-88 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Кильчукова Олеся Хаутиевна -

старший преподаватель кафедры энергообеспечения предприятий Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В. М. Кокова г. Нальчик

Тел.: 8-960-431-40-65 E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Yurov Alexey Ivanovich,

Ph.D. in Technical Sciences,

Professor of the Department of Heat engineering and

hydraulics and labour protection,

Stavropol state

agrarian University

Stavropol

Теl.: 8(962) 492 50 80, E-mail: alexyurov@list.ru

Fiapshev Amur Grigoryevich,

Ph.D. in Technical Sciences,

Associate Professor of Department of Energy

maintenance of enterprises

Kabardino-Balkaria State Agrarian University

named after V. M. Kokova

Nalchik

Теl.: 8 903 490 32 88, E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Kilchukova Olesya Xautievna,

Senior Lecture of Department of «Energy maintenance of enterprises», Kabardino-Balkaria State Agrarian University named after V. M. Kokova Nalchik

Теl.: 8 960 431 40 65, E-mail: energo.kbr@rambler.ru

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

Проводя обзор научной литературы по данному вопросу и исторический экскурс по использованию человечеством тепло- и хладотехники, подводящей и отводящей избыточное тепло с помощью различных теплоносителей, можно увидеть, что все теплоносители в основном двух типов: жидкостные и газообразные. Жидкостные наиболее часто используются в бытовых условиях - это вода, водные и спиртовые растворы гликолевых соединений, в быту называемых незамерзайками. Из газообразных используется только воздух и в ядерных реакторах - водяной пар, углекислый газ и гелий, как один из перспективных и безопасных. Этот выбор связан с доступностью, стоимостью производства, а также со специальными требованиями, которые предъявляются к теплоносителям и особенно в ядерных реакторах:

- высокая теплоёмкость, теплопроводность;

- низкая температура замерзания (безопасная эксплуатация нагревательно-охлаждающих систем при любых температурах окружающей среды);

- высокая температура кипения;

- высокая температура воспламенения (обеспечивает безопасность при использовании);

- малая вязкость, особенно при низких температурах (достигается более свободная циркуляция);

- малая вспениваемость (при большой - снижается теплопередача);

- низкая коррозийная активность (один из основных показателей);

- инертность к резиновым шлангам и уплотнителям;

- низкая химическая активность с поверхностями соприкосновения;

- для твердых теплоносителей - твердость или малая истираемость.

В некоторых типах ядерных реакторов в системах охлаждения используются твердые теплоносители и металлы для увеличения скорости отбора тепла, однако было выяснено то обстоятельство, что ни в одном из типов атомных реакторов еще не рассматривали использование газопылевых смесей.

Если основываться на требованиях теплоснабжающих систем, идею можно использовать в трех широких областях на потребительском рынке:

- радиаторные системы охлаждения и отопления;

- системы генерации тепловой и солнечной энергии;

- преобразование ядерной энергии в электрическую.

Разрабатывая и совершенствуя устройства и системы по альтернативной энергетике и, в частности, солнечной с использованием солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения и отопления постоянно встаёт вопрос об удешевлении и увеличении эффек-

тивности таких систем или хотя бы их некоторых элементов. Технология производства и использования солнечных коллекторов на данном этапе развития достигла достаточно высокого уровня. К примеру, степень поглощения солнечной энергии достигает 93-96 %. Удешевление можно получить только за счёт применения новых материалов, технологии производства, модернизации абсорберов и транспортировки (патенты на изобретение № 2330217, № 2330218).[1, 2].

Таким образом, закономерно встаёт вопрос об использовании иного рода тепломассопе-реноса. С появлением нано технологий (получение и использование частиц размером менее 100 нм) некоторые вещества или смеси приобретают новые механические, физические, химические и другие свойства. Например, пыль из ультрадисперсных частиц кремния (песка) приобретает свойства, близкие к свойствам жидкости. Такое сыпучее вещество принимает форму сосуда, его поверхность всегда горизонтальна, на поверхности могут образовываться волны. И в то же время, в отличие от жидкости, может достаточно долго находиться во взвешенном состоянии - свойство «тяжёлого пара».

При уменьшении размера ультрадисперсных частиц до нано размеров и некотором повышении температуры эти свойства будут усиливаться. Если эту пыль постоянно «барбатиро-вать», то получится субстанция, с виду похожая на перегретую жидкость при фазовом переходе. Все это приводит к мысли, что эту газопылевую смесь с размером частиц менее 100 нм можно использовать как новый тип теплоносителя. В качестве испытуемого образца рассматриваем смесь СО2 и нано пыль из кремния (кварцевый песок) [3]. Выбор этого образца как теплоносителя связан с безопасностью, инертностью в различных взаимодействиях, доступностью, экологией и низкой стоимостью.

При сравнении с используемыми теплоносителями сразу исключаются следующие требования:

- низкая температура замерзания;

- высокая температура кипения;

- высокая температура воспламенения;

- малая вспениваемость;

- низкая коррозийная активность;

- инертность к резиновым шлангам и уплотнителям;

- малая вязкость;

- взрывоопасность;

- преобразуемость в другие соединения с изменением характеристик по тепло-отводу.

Для нашего теплоносителя остаются только два требования: высокая теплоёмкость и теплопроводность, которая связана с таким явлением, как тепломассоперенос.

Тепломассоперенос вещества зависит от теплопроводности, теплоёмкости вещества, массы и скорости частиц, входящих в формулу теплоносителя, относительной концентрации компонентов.

в

:№ 2(14), 2014

Агроинженерия

107

Таблица молярных масс, теплопроводности, теплоёмкости различных веществ и используемых теплоносителей приводится ниже [4].

Таблица

Показатель Ц Р X c

Вода 18 998.2 0.6 4187

МЭГ (этиленгликоль) 62.07 1113 0.27 2422

Воздух 300 К, 100 КПа 29 1.29 0.026 1000

Углекислый газ СО2 44 1.98 0.03 830

Стекло БЮ2 60 2500 1 840

Кремний Б1 28 2330 148 970

Кварц плавленый 60.08 2230 1.37 740

Кварц 60.08 2650 32.23 750

Песок сухой 1600 0.35 835

Гелий 4.002 0.18 0.152 5190

Единицы измерения и условные обозначения: с - удельная теплоёмкость (Дж/кгК); ц - молярная масса (кг/кмоль); X - удельная теплопроводность (Дж/м-с-К); р - удельная плотность вещества (кг/м3).

При исследовании свойств мелкодисперсного кварцевого песка, размельченного до нано частиц (размер частиц 100 нм и менее), обратили внимание на необычные изменения свойств песка. Сыпучее тело начинает обладать свойствами жидкости, и его текучесть улучшается с уменьшением размеров частиц и некоторым повышением температуры (менее 100 оС). Более того, порошок кремния «Белая сажа» в газовой среде остается во взвешенном состоянии дольше чем водяная пыль. Основа настоящего изобретения составляет то, что газопылевая смесь обладает свойствами тепломассо-переноса сравнимыми с известными теплоносителями, а по многим параметрам превосходит их (патент на изобретение № 2398162). Данный теплоноситель может обладает широким потенциалом применения как в области отбора тепла с температурой в сотни, а может быть и тысячи градусов, в частности, двигателей автомобилей, отводом тепла из ядерных реакторов различных систем, так и в различных системах отопления и охлаждения, особенно там, где требуются теплоносители, работающие при сверхнизких и сверхвысоких температурах. Температура плавления кварцевого песка более 2500 оС [3, 5]. Таким образом, поведение частиц нано порошка в газовой среде обеспечивает высокие коэффициенты теплопереноса, сравнимые и превосходящие наиболее популярные и применяемые для этой цели жидкости. В настоящее время нами используется оксид кремния «Белая сажа» и газ СО2 [6], занимаемся разработкой устройств поддержания порошка во взвешенном состоянии внутри системы [3].

Теплоёмкость газопылевой смеси или «белой сажи» может меняться в зависимости от плотности пыли или степени «барбатирования», а также от скорости броуновского движения нано частиц и молекул системы, которая зависит от температуры [4].

Используя частотный метод распределённых параметров при управлении тепловым полем солнечного коллектора, можно получить такую скорость потока газопылевой смеси, при которой будет происходить постоянный отбор тепла с абсорбера солнечного коллектора или другой поверхности и передача потребителю [7, 8].

Особое внимание следует обратить на применение газовых и твердых мелкодисперсных теплоносителей на АЭС. Ни один из применяемых теплоносителей не отвечает полностью предъявляемым требованиям, кроме гелия (Не), но и этот имеет существенные минусы. Газовые теплоносители улучшают физические характеристики быстрого реактора. Используя простые схемы преобразования тепла, можно снизить капитальные затраты и стоимость эксплуатации АЭС. С газовым теплоносителем допускается получение высокой температуры, но он обладает малой теплопроводностью и малоэффективен в отношении отвода тепла из реактора. При использовании газовых теплоносителей применяют меры, повышающие отвод тепла из реактора способом повышения плотности газа путем увеличения его давления и скорости с использованием развитых ребристых и винтообразных поверхностей нагрева. Сжатие газа требует применения воздуходувок значительной мощности, что значительно снижает экономичность АЭС, но также газовые теплоносители обеспечивают большую радиоактивную безопасность при утечке из контура[9].

Для более полного исследования поставленной задачи следует рассмотреть твердый теплоноситель из графитосодержащего материала, обеспечивающий повышенный теплосъем в активной зоне ядерного реактора (Булкин Ю. М. и др. А.С.№ 1600554, МКИ G 21C15/24, опубликовано 10.05.1988). Недостаток этого теплоносителя заключается в осуществлении теплосъема только за счет лучистого теплообмена активной зоны с цилиндрической стенкой теплоносителя. Другой мелкодисперсный теплоноситель ядерного реактора, выполненный в виде частиц графита, карбида кремния, металла (алюминий, цирконий и др.) (Heinlein F. A. Improvements in relatinq to atomic power plant. Патент Великобритании № 875872,МКИ G 21, НКИ 39(4), За-явл. 19.09.1958, опубл. 23.08.1961). При вращении бункера твердый мелкодисперсный теплоноситель, контактирующий со стационарно установленными активной зоной и вторичным теплообменником, перемешивается, что улучшает отвод тепла от активной зоны и повышает эффективность охлаждения. Описанное техническое решение имеет следующие недостатки: интенсивное истирание частиц твердого теплоносителя при вращении бункера может привести к изменению рабочих характеристик реактора [10].

Требования к нашему газопылевому теплоносителю (патент № 2398162):

- высокий тепломассоперенос;

- возможность снятия высоких температур - несколько сотен градусов [3].

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

Использование нано технологий позволяет получить новый теплоноситель (патент на изобретение № 2398162), в котором исключены вышеизложенные минусы. Дальнейшие исследования и технологические решения дадут

Литература

1. Солнечный коллектор, рамное устройство для получения горячей воды за счет солнечной энергии (новое: способ производства и материалы). Патент на изобретение № 2330217. Заявка № 2006129196, приоритет изобретения от 14.08.2006. Зарегистрирован 27.07.2008. Патентообладатели: Меликов Э. Н. (РФ), Юров А, И. (РФ).

2. Солнечный тепловой коллектор, эластичное устройство для получения горячей воды за счет солнечной энергии (новое: способ производства и материалы). Патент на изобретение № 2330218.Заявка № 2006129195,приоритет изобретения от 14.08.2006. Зарегистрирован 14.08.2006. Патентообладатели: Меликов Э. Н. (РФ), Юров А. И. (РФ), Бурик В. А. (БР).

3. Способ и устройство регулирования те-пломассопереноса в газовой среде (новый теплоноситель для передачи тепла от одного тела другому). Патент на изобретение № 2398162. Заявка № 2009118250, приоритет изобретения от 14.05.2009. Зарегистрирован 27.08.2010. Заявка № 2009118250, приоритет изобретения от 14.05.2009. Зарегистрирован 27.08.2010 г. Патентообладатели: Меликов Э. Н. (РФ), Юров А. И. (РФ).

4. Юров А. И. Газовые теплоносители // Сборник докладов, международная научная конференция. ПГТУ, 2009.

5. Юров А. И. Устройство регулирования те-пл омассопереноса в газовой среде // Сборник научных трудов Северо - Кавказского государственного технического университета. 2008. № 4.

6. Юров А. И. Способ регулирования тепло-массопереноса в газовой среде // Управление и информационные технологии : межвузовский научный сборник. ПГТУ, 2009.

7. Воронин А. Ю., Юров А. И. Моделирование тепловых процессов солнечного теплового коллектора // Управление и информационные технологии : межвузовский научный сборник. Пятигорск : РИА-КМВ, 2008.

8. Юров А. И. Дискретная математическая модель тепловых процессов солнечного коллектора // Управление и информационные технологии : межвузовский научный сборник. Пятигорск : РИА-КМВ, 2008.

9. Газовые теплоносители. Большая энциклопедия нефти и газа. ©FindPatent.RU 2012-2013.

10. Твердые теплоносители. URL: http: // machinepedia.org/index.

возможность применять газопылевые теплоносители в различных системах горячего водоснабжения и отопления, а при соответствующих доработках они будут применяться и в системах охлаждения ядерных реакторов в АЭС.

References

1. Solar collector, frame device for producing hot water by solar energy (new: mode of production and materials). Patent № 2330217. Application number 2006129196, priority of invention from 14.08.2006. Registered

27.07.2008. Patentees E. N. Melikov (RF), A. I. Urov. (RF).

2. Solar thermal collector, flexible device for producing hot water by solar energy (new: mode of production and materials). Patent for invention number 2330218.Zayav-ka number 2006129195, priority of invention from 14.08.2006. Registered 14.08.2006. Patentees E. N. Melikov (RF), A. I. Urov (RF) V. A. Burik (BR).

3. Method and device control heat transfer in the gas environment (the new coolant to transfer heat from one body to another.) Patent № 2398162. Application number 2009118250, priority of invention from 14.05.2009. Registered 27.08.2010. Application number 2009118250, priority of invention from

14.05.2009. Registered 27.08.2010 patentees E. N. Melikov (RF), A. I. Urov (RF).

4. Urov A. I. Gas coolants // Proceedings, International Scientific Conference. PGTU, 2009.

5. Urov A. I. Control device heat and mass transfer in a gaseous environment // Proceedings of the North - Caucasus State Technical University. 2008. № 4.

6. Urov A. I. Method for controlling the heat and mass transfer in a gaseous environment // Management and Information Technology: Interuniversity scientific collection. PGTU 2009.

7. Voronin A. Yu., Urov A. I. Modeling of thermal processes of the solar thermal collector // Management and Information Technology: Interuniversity scientific collection. Pyatigorsk: RIA CMS-2008.

8. Urov A. I. discrete mathematical model of a solar collector thermal processes // Management and Information Technology: Interuniversity scientific collection. Pyatigorsk : RIA-KMV, 2008.

9. Gas coolants. Big encyclopedia of oil and gas. © FindPatent.RU 2012-2013.

10. Solid heat carrier. URL: http:// machinepe-dia.org / index.