CC BY
17
УДК 536.246, 536.331 Дмитрий Михайлович Кузьменков
ФГАОУВО «Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"», инженер института ядерной физики и технологий, старший преподаватель отделения ядерной физики и технологий офиса образовательных программ, Россия, Москва, телефон (495) 788-56-99, доб. 7664, e-mail: [email protected]
Андрей Владимирович Ольховский
ФГАОУВО «Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"», аспирант института ядерной физики и технологий, Россия, Москва, e-mail: [email protected]
Владимир Сергеевич Юнин
ФГАОУВО «Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"», аспирант института ядерной физики и технологий, Россия, Москва, e-mail: [email protected]
Кирилл Владленович Куценко
ФГАОУВО «Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"», кандидат технических наук, доцент отделения ядерной физики и технологий офиса образовательных программ, Россия, Москва, телефон (495) 788-56-99, доб. 9291, e-mail: [email protected]
Применение наночастиц для производства пара
W 1
под действием солнечного излучения1
Авторское резюме
Состояние вопроса. Наночастицы, взвешенные в объеме базовой жидкости, способствуют существенному усилению светопоглощающих свойств среды в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,5 мкм, а также могут служить центрами парообразования при кипении базовой жидкости. Такие суспензии находят широкое применение в создании солнечных коллекторов прямого поглощения, в которых функции рабочего тела и поглотителя солнечного излучения совмещены в суспензии. Однако отсутствие подходящих моделей не позволяет выполнить оценку паропроизводительности коллекторов прямого поглощения. В связи с этим актуальным является экспериментальное и теоретическое исследование процесса кипения суспензии под действием излучения.
Материалы и методы. Экспериментальное исследование проведено на лабораторной установке с симулятором солнечного излучения, способной работать в непрерывном стационарном режиме с рециркуляцией конденсата. Рассмотрены два типа наночастиц: многостенные углеродные нанотрубки с главными диаметрами 49 и 72 нм и длиной ~5 мкм и 110-нм частицы оксида железа Fe3O4. Для всех типов частиц в качестве базовых жидкостей использована дистиллированная и соленая вода. Массовые концентрации частиц варьировались от 0,5 до 5 %. Эталонный эксперимент проведен для соленой воды в зачерненном объеме. Теоретическая модель основана на предположении о локализации кипения в узкой области, прилежащей к облучаемой поверхности.
Результаты. Выполнено экспериментальное исследование паропроизводительности для различных типов частиц. Предложено аналитическое выражение для оценки паропроизводительности наножид-кости при кипении под действием излучения. Проведено сравнение экспериментальных данных, полученных для суспензий на основе дистиллированной и соленой воды. Установлено, что добавление морской соли не оказывает существенного влияния на паропроизводительность, приводя к максимальному отличию в 12 %, наибольшая паропроизводительность достигается при использовании углеродных нанотрубок с массовой долей 5 %, приводя к увеличению паропроизводительности на 23 % относительно эталонного эксперимента. Предложенная теоретическая модель описывает экспериментальные данные со средним отклонением 7 %.
Выводы. Применение наночастиц в солнечных коллекторах прямого поглощения позволяет повысить паропроизводительность по сравнению с кипением базовой жидкости в зачерненном объеме. Теоретическая модель позволяет с высокой точностью оценить паропроизводительность при кипении суспензии под действием теплового излучения. Результаты работы могут представлять интерес при разработке солнечных энергетических установок с паротурбинным циклом.
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90306.
The reseach is carried out with financial support of Russian Foundation for Basic Research (RFBR) within the framework
of the scientific project № 19-38-90306.
© Кузьменков Д.М., Ольховский А.В., Юнин В.С., Куценко К.В., 2022 Вестник ИГЭУ, 2022, вып. 3, с. 13-23.
Ключевые слова: наножидкость, кипение наножидкости, кипение наножидкости под действием излучения, солнечный коллектор прямого поглощения, парообразование за счет солнечной энергии, солнечное опреснение
Dmitriy Mikhailovich Kuzmenkov
National Research Nuclear University MEPHI, (Moscow Engineering Physics Institute), Engineer, Institute of Nuclear Physics and Engineering, Senior Lecturer of Nuclear Physics and Technologies Department, Office of Academic Programs, Russia, Moscow, telephone (495) 788-56-99, ext. 7664, e-mail: [email protected]
Andrey Vladimirovich Olkhovskiy
National Research Nuclear University MEPHI (Moscow Engineering Physics Institute), Postgraduate Student, Institute of Nuclear Physics and Engineering, Russia, Moscow, e-mail: [email protected]
Vladimir Sergeevich Yunin
National Research Nuclear University MEPHI (Moscow Engineering Physics Institute), Postgraduate Student, Institute of Nuclear Physics and Engineering, Russia, Moscow, e-mail: [email protected]
Kirill Vladlenovich Kutsenko
National Research Nuclear University MEPHI (Moscow Engineering Physics Institute), Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of Nuclear Physics and Technologies Department, Office of Academic Programs, Russia, Moscow, telephone (495) 788-56-99, ext. 9291, e-mail: [email protected]
Application of nanoparticles for solar-driven steam generation
Abstract
Background. Nanoparticles suspended in the base fluid intensify the light-absorbing properties of the medium within wavelength range from 0,2 to 2,5 ^m significantly. Also, they can serve as vapor bubble nucleation sites when the base fluid is boiling. Such suspensions are widely used to design the direct absorption solar collectors, in which the nanofluid is possessed both the working fluid and solar energy absorber. However, there is a lack of theoretical models that are capable to evaluate the steam rated capacity of direct absorption solar collector. Thus, the aim of the present paper is an experimental and theoretical study of the boiling of nanofluid exposed to thermal radiation.
Materials and methods. The experimental study has been carried out on a laboratory-scale unit with a solar radiation simulator. The experimental unit is capable to operate at a continuous steady-state mode with recirculation of condensed fluid. Two types of nanoparticles have been tested: multiwall carbon nanotubes with two sizes of 49 nm and 72 nm and 110 nm iron oxide particles Fe3O4. Distilled and salt water has been used as the base fluid for all types of particles. Mass fraction of particles is varied from 0,5 to 5 %. The reference experiment has been carried out for salt water in a blackened receiver. The theoretical model assumes that boiling is localized in a narrow region adjacent to the irradiated surface.
Results. An experimental study of the steam rated capacity for various types of particles has been carried out. An analytical expression has been proposed to estimate the steam rated capacity during the boiling of a nanofluid exposed to thermal radiation. Comparison of the experimental data for the distilled water-based and saltwater-based nanofluids has been carried out. It is found that the addition of sea salt does not affect the steam generation significantly. The maximum difference is 12 %. The highest steam rated capacity is achieved when using carbon nanotubes of mass fraction of 5 %. The steam rated capacity is increased by 23 % compared with the reference experiment. The theoretical model reproduces the experimental data with an average deviation of 7 %.
Conclusions. Application of nanoparticles in direct absorption solar collectors allows us to increase the steam rated capacity compared with the boiling of the base liquid in a blackened receiver. The theoretical model is capable to estimate to a high precision the steam rated capacity in case of boiling of suspension exposed to thermal radiation. The results of this study may be of interest during the development of solar power plants with a steam turbine cycle.
Key words: nanofluid, nanofluid boiling, boiling of nanofluid when exposed to radiation, direct absorption solar collector, solar-driven steam generation, solar-driven desalination
DOI: 10.17588/2072-2672.2022.3.013-023
Введение. Начиная с 2000-х годов, идея использования наночастиц для улучшения свойств теплоносителей нача-
ла активно развиваться, захватывая все большие области применения. В настоящее время область применения наножид-
костей охватывает микроэлектронику [1], автомобилестроение [2], ядерную энергетику [3], медицину [4], химическую промышленность [5] и др.
Улучшенные теплофизические свойства наножидкостей [6-8], наряду с высокими светопоглощающими свойствами [9, 10], обусловили перспективность применения наножидкостей для создания так называемых солнечных коллекторов прямого поглощения [10, 11], в которых нано-жидкость циркулирует в прозрачных трубах и совмещает в себе функции поглотителя солнечной энергии и теплоносителя. Кроме того, диспергированные частицы и их агломераты могут служить центрами парообразования, что позволяет создать солнечные парогенерирующие установки с использованием наножидкостей [12-14]. Такие установки могут быть использованы как для солнечных энергетических установок с паротурбинным циклом, так и для солнечных опреснительных установок [15-17].
Первое экспериментальное исследование кипения наножидкости под действием солнечного излучения было представлено в
[13], где показана возможность генерации пара при облучении концентрированным солнечным излучением наножидкости на основе дистиллированной воды с добавлением золотых и графитовых наночастиц размером 120-170 нм. Эксперименты показали, что образующийся пар был перегрет относительно температуры насыщения примерно на 50 оС. Авторы исследования [13] предположили, что такой перегрев обусловлен образованием нано- и микропузырьков пара с высоким избыточным давлением.
В [14] представлены результаты экспериментального и численного исследования кипения наножидкости под действием концентрированного солнечного излучения (примерно 3-105 Вт/м2). В работе рассматривалась наножидкость на основе дистиллированной воды и золотых наночастиц размером 20 нм. Анализ распределения температур в объеме наножидкости показал, что мощность, затрачиваемая на испарение жидкости, выше, чем в исследовании [13]. Кроме того, в экспериментах не наблюдалось высокого перегрева пара, в отличие от результатов в работе [13].
Теоретическая часть исследования
[14] посвящена анализу возможных механизмов образования пузырей пара в нано-
жидкости под действием излучения. Сочетая теорию рассеяния Рэлея с уравнением переноса энергии с учетом фазового превращения, авторы рассчитали распределение температур в наножидкости и пришли к выводу, что паровые пузыри не могут образовываться вокруг твердых частиц нанометрового размера из-за огромного избыточного Лапласового давления внутри такого пузыря. Таким образом, авторы полагают более вероятным образование пузырей пара вокруг агломератов частиц микрометрового размера. Аналогичные выводы о том, что центрами парообразования при кипении наножидкости служат агломераты частиц, также находят подтверждение в ряде экспериментальных и теоретических работ [12, 18-20].
В [20] представлены результаты экспериментальных исследований по кипению двух типов наножидкостей с последующим гранулометрическим анализом суспензии, которые позволили установить связь между перегревом пара и константами Хамакера [21], характеризующими размеры агломератов частиц, из чего можно заключить, что размер паровых пузырей коррелирует со средними размерами агломератов частиц. В работе также сделано предположение о локализации кипения в области, прилежащей к облучаемой поверхности и поглощающей большую часть падающего излучения.
Ряд работ по исследованию кипения наножидкостей под действием излучения рассматривались в контексте использования наножидкостей в опреснении морской воды за счет возобновляемых источников энергии [15-17]. Например, в [17] для солнечного опреснения предложено использовать наножидкости с добавлением частиц карбида вольфрама. Экспериментальное исследование показало, что эффективность парообразования при использовании такой наножидкости может достигать 75 %, а скорость образования пара - 1,2 кг/час на единицу поверхности испарения. Следует, однако, заметить, что для приготовления наножидкости была использована деиони-зованная вода с добавлением полиакрила-та натрия для стабилизации суспензии. Таким образом, влияние солености на эффективность парообразования, стабильность наножидкости и процесс кипения изучено не было.
Анализа литературы позволил установить, что в настоящее момент эффектив-
ность солнечной парогенерирующеи установки на основе коллектора прямого поглощения определяется только путем экспериментального исследования. В связи с этим целями настоящего исследования является получение новых экспериментальных данных по влиянию концентрации и типа частиц на скорость парообразования, в том числе и в соленой воде, а также разработка модели, позволяющей оценивать скорость и эффективность парообразования.
Методы исследования. Для экспериментального исследования скорости образования пара в суспензии были использованы два типа наночастиц: оксида железа (II, III) со средним размером 110 нм в сухом порошке и многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) ДЕАЛТОМ производства научно-производственного предприятия «Центр Нанотехнологий» (г. Москва, Россия). В сухом состоянии углеродные нанотрубки ДЕАЛТОМ имеют два основных размера - 49,3 ± 0,45 нм и 72,0 ± 0,45 нм при максимальной длине, не превышающей 5 мкм.
Для всех упомянутых типов частиц в качестве базовой жидкости использовалась дистиллированная вода с добавлением морской соли. Количество морской соли определялось таким образом, чтобы соленость базовой жидкости составляла 35 г/кг, что соответствует средней солености мирового океана. Для сравнения эксперименты также проводились для аналогичных по составу суспензий без добавления морской соли.
Суспензии изготавливались стандартным двухстадийным методом [7, 8, 12, 14, 20]. Сначала желаемое количество наночастиц добавлялось в базовую жидкость. Затем полученная смесь перемешивалась с помощью ультразвукового гомогенизатора MEF93.T производства компании МЭЛФИЗ-ультразвук (г. Москва, Россия) в течение 30 мин при мощности 600 Вт и частоте 22±1,65 кГц.
Экспериментальная установка. Основным элементом экспериментальной установки (рис. 1) является парогенератор 1, представляющий собой прозрачную сферическую колбу с плоским дном объемом 1 л с цилиндрическим горлышком и радиусом сферической части колбы 13,5 см. Парогенератор 1 заполнен 500 мл исследуемой суспензии. Облучение парогенератора осуществлялось тремя галогеновыми лам-
пами Osram R7s мощностью 400 Вт каждая. В результате полный лучистый тепловой поток на поверхности парогенератор составлял примерно 260 Вт. Значение полного теплового потока на поверхности парогенератора было получено путем интегрирования плотности лучистого теплового потока от каждой лампы по поверхности парогенератора, занятой суспензией (интегрирование выполнялось по той части поверхности, которая соприкасалась с суспензией, пренебрегая толщиной стенки парогенератора). Зависимость теплового потока от расстояния и угла нормали к центру лампы была получена в отдельной серии экспериментов.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - парогенератор; 2 - галогеновые лампы; 3 -манометр; 4 - расходомер пара; 5 - теплообменник; 6 - расширительный бак; 7 - регистратор показаний термопар; 8 - бак воды второго контура; 9 - насос; 10 - теплообменник; 11 -компьютер
Измерения лучистого теплового потока выполнялись с помощью измерителя мощности LS 122 ^ (погрешность ±10 %). Подробную информацию об измерении плотности лучистого теплового потока от галогеновых ламп можно найти в [22]. Отметим, что при проведении экспериментов расстояние между парогенератором и лампами было достаточно большим. Таким образом, конвективный перенос энергии от ламп к парогенератору был пренебрежимо мал по сравнению с лучистым переносом.
В ходе экспериментов парогенератор 1 был закрыт резиновой заглушкой, имеющей два отверстия для прямого паропровода и линии возврата конденсата в колбу. Пар, образующийся в результате кипения суспензии, направлялся в конденсатор 5 через расходомер 4. Охлаждение и конденсация пара в конденсаторе происходили за счет циркуляции воды второго контура, оборудованного воздушным радиатором для охлаждения воды второго контура, баком и циркуляционным насосом. Полученный конденсат затем направлялся в расширительный бак 6, расположенный на высоте 50 см относительно парогенератора 1. Затем конденсат возвращался обратно в парогенератор 1 за счет гидростатического давления. Таким образом, в ходе эксперимента объем образца суспензии в парогенераторе 1 сохранялся примерно постоянным. Все линии трубопроводов экспериментальной установки выполнены из ПВХ трубок и теплоизолированы 10-мм слоем керамического волокна.
Измерительная система экспериментальной установки состоит из манометра 3 M043-R06 производства компании Camozzi Automation (максимальная погрешность ±0,15 бар), двух термопар TP-K01 K-типа, подключенных к регистратору температуры Center 309 с максимальной погрешностью ±2,2 оС и видеокамеры, которая использовалась для определения момента начала кипения. Данные расходомера и
видеокамеры обрабатывались компьютером 11. Первая термопара расположена в объеме суспензии, и вторая - над зеркалом испарения для измерения температуры пара. Расход пара измерялся с помощью расходомера Aqua Computer MPS Flow 100, модифицированного для измерения расхода пара.
Калибровочная кривая зависимости расхода пара от инструментального сигнала расходомера показана на рис. 2.
Экспериментальные данные для градуировки расходомера были получены с помощью той же экспериментальной установки, работающей в импульсном режиме. В этом режиме пар из парогенератора направлялся в конденсатор 10 (относится к обозначению на рис. 1), также охлаждаемый водой второго контура. Проба конденсата, полученная в теплообменнике 10 (относится к обозначению на рис. 1), затем собиралась в сборнике конденсата, который взвешивался с помощью прецизионных весов FC-50 (погрешность ±1 мг).
Калибровочные эксперименты проводились с использованием дистиллированной воды без добавления соли и наночастиц. В качестве парогенератора использовалась аналогичная колба, поверхность которой была обернута металлической фольгой и сверху покрыта тремя слоями графита. Для изменения расхода пара изменялось количество ламп, облучающих зачерненный парогенератор (рис. 2).
Рис. 2. Калибровочная кривая расходомера - зависимость расхода пара от сигнала расходомера: 1 - три лампы; 2 - четыре лампы; 3 - пять ламп
Сигнал расходомера представляет собой безразмерную величину, пропорциональную падению давления в расходомере. В результате измерения массы конденсата, собранного во время записи данных расходомера, была получена зависимость расхода пара от сигнала расходомера, которая была аппроксимирована зависимостью вида
в = 0,477з0,46, (1)
где О - расход пара, г/мин; 5 - сигнал расходомера.
Погрешность расхода пара определялась по отклонению приборного сигнала расходомера от среднего значения.
Полученная таким образом градуировка расходомера в дальнейшем использовалась для расчета расхода пара в экспериментах в непрерывном режиме работы установки.
Для определения расхода пара выбирался интервал времени длительностью не менее 3 мин, соответствующий стационарному режиму работы установки. На этом интервале рассчитывалось среднее значение сигнала расходомера и соответствующее стандартное отклонение. Среднее значение сигнала подставлялось в уравнение (1) для оценки расхода пара.
Таким образом, экспериментальная погрешность расхода пара определялась статистической а5 погрешностью сигнала расходомера и приборной а! погрешностью. Статистическая погрешность обусловлена усреднением сигнала расходомера и определена для доверительного интервала 95 %. Приборная погрешность расходомера определена согласно методике, изложенной в [22]. Полная погрешность измерения расхода пара рассчитывалась согласно стандартному подходу оценки погрешности косвенных измерений
Ав = (а2 +а*)А-
Отметим, что все измерения расхода пара выполнялись в стационарном режиме работы, который достигался примерно через 40 мин после начала кипения суспензии. Стационарный режим работы установки характеризовался установлением непрерывной циркуляции конденсата, а также примерным постоянством температур суспензии и пара, близких к температуре насыщения воды. Таким образом, измерение температуры суспензии и пара позво-
ляло определять момент начала стационарного режима.
Для определения влияния наночастиц на кипение соленой воды аналогичные эксперименты были проведены для соленой воды без наночастиц. В этом случае прозрачный парогенератор заменялся на эквивалентную зачерненную колбу.
Модель скорости парообразования. Модель для расчета скорости парообразования основана на двух базовых предположениях:
• паровые пузыри образуются только в узком, прилежащем к облучаемой поверхности слое жидкости [12, 20], толщина I которого обратно пропорциональна среднему коэффициенту экстинкции суспензии (далее эту область суспензии будем называть зоной кипения);
• пузыри пара образуются вокруг перегретых агломератов наночастиц [12, 14, 18-20] со средним размером Ор.
Исходя из сделанных допущений, скорость образования пара можно оценить как отношение количества пара в зоне кипения к характерному времени развития паровых пузырей. Допуская, что паровые пузыри образуют плотную упаковку сфер одинакового размера в зоне кипения, скорость парообразования можно оценить следующим образом:
в = Ъ,рЛг 1 V , (2)
где £ - плотность упаковки сфер одинакового радиуса в зоне кипения (£ = ^л/э / 9); /Ь2 - объем базовой жидкости в зоне кипения; тсг - критическое время роста паровых пузырей.
Объем базовой жидкости можно оценить, полагая, что облучаемая поверхность плоская и плотность теплового потока распределена равномерно на облучаемой поверхности:
^ = 5/(1-V), (3)
где в - площадь облучаемой поверхности; ^ - объемная концентрация наночастиц в суспензии; I - глубина зоны кипения.
Полагая, что глубина зоны кипения обратно пропорциональна коэффициенту экстинкции суспензии, усредненному по всем длинам волн излучения, ее величину можно оценить в приближении геометрической оптики [20]:
/ = (аьг + 6ГУ / Ор )-1,
(4)
где аы - коэффициент экстинкции базовой
жидкости, усредненный по длинам волн падающего излучения; ^ - объемная концентрация частиц в суспензии; йр - средний размер агломератов частиц в суспензии.
В рамках модели принимается, что в критический момент времени тсг паровые пузыри образуют плотную упаковку сфер одинакового диаметра, равного толщине зоны кипения. Таким образом, значение хсг рассчитывалось как время роста пузыря от начального размера, равного среднему размеру агломератов частиц, до критического диаметра. Согласно уравнению теплового баланса между твердой частицей, паром и жидкостью, предложенному в [23], критическое время роста пузыря можно оценить следующим образом:
тсг = О + С*, + Ц )/(дБр), (5)
где - энергия, требуемая для нагрева агломератов частиц и окружающей жидкости до минимального перегрева ДТ; О^ -энергия, требуемая для испарения жидкости около частицы; О/ - энергия, требуемая для формирования границ разделов частица-пар и пар-жидкость; д - плотность лучистого теплового потока на поверхности колбы; Эр - площадь поверхности агломерата частиц, вокруг которого формируется паровой пузырь:
Б = %о2Ы
р р р >
где Ыр - это количество агломератов частиц, захваченных паровым пузырем в ходе его роста:
Ыр = ^ ф3 ,
где ф - отношение толщины зоны кипения к размеру агломерата частиц:
Ф = Ийр.
Согласно [23], энергии в уравнении (5) Оь Оv и О/ можно рассчитать следующим образом:
Оь = (ррОрУрЫр + р,Оу, )ДТ; (6)
о,; (7)
Q = Of(nCCr +nCPNp -4/DcrVcr),
(8)
где рр и Ср - плотность и теплоемкость материала частиц; Ур - объем агломерата частицы (V = лОЗ /6); р, - плотность насыщенного пара; С - теплоемкость насыщенной жидкости; V, - объем пара в пузыре критического
диаметра (V, =п /6(03сг - ОрЫр)); йсг - критический размер парового пузыря (Осг = I); ДТ - минимальный перегрев для формирования парового пузыря размером Ор; гы -удельная теплота испарения базовой жидкости; аг - коэффициент поверхностного натяжения базовой жидкости; Усг - объем
критического пузыря №сг /6).
Минимальный перегрев для формирования парового пузыря размером йр можно оценить по формуле [24]
ДТ = /(г,р,0р).
Подставляя (3), (6)-(8) в уравнение (2), получим выражение для скорости образования пара в суспензии под действием теплового излучения, которое можно переписать в безразмерном виде для эффективности парообразования ц = Огы /(дБ) (отношение доли мощности, затрачиваемой на испарение жидкости, к полной лучистой мощности, подводимой к суспензии):
ц = (1 - , )ф{у^р + (1 + из) +
3
(9)
+-
Of
f ф
где у - отношение плотности частицы к плотности пара (у = рр /pv); Ja - число
Якоба (Ja = CfAT / rlv); Jap - модифицированное число Якоба (Jap = CAT / r/v).
Формула (9) позволяет оценить эффективность и скорость парообразования в суспензии под действием излучения и определяется лучистым тепловым потоком, площадью облучаемой поверхности, теп-лофизическими свойствами базовой жидкости и частиц, а также размером и концентрацией частиц в суспензии.
Результаты исследования. Результаты экспериментального исследования кипения суспензий различного состава под действием теплового излучения представлены на рис. 3, где серой областью показана погрешность измерения расхода пара в эксперименте с соленой водой в зачерненной колбе.
Сравнивая экспериментальные данные по суспензиям с добавлением и без добавления морской соли в базовую жидкости, можно заметить, что наличие соли в количестве 35 г/кг не влияет существенно
v
на скорость образования пара в рассмотренных стационарных экспериментах с рециркуляцией конденсата. Анализ зависимостей рис. 3 показывает, что результаты экспериментов, проведенных для суспензий на основе соленой и дистиллированной воды, совпадают в пределах погрешностей.
Наибольшее увеличение в расходе пара обнаруживается для суспензии на основе соленой воды с добавлением 5 масс. % МУНТ. Расход пара для этой суспензии превышает на 23 % результаты эталонного эксперимента с соленой водой в зачерненной колбе. Так, расход пара для 5 масс. % МУНТ суспензии составляет 4,8±0,3 г/мин, а для соленой воды в зачерненной колбе -3,9±0,7 г/мин, что свидетельствует о увеличении расхода пара при добавлении МУНТ.
Добавление 3 масс. % наночастиц оксида железа приводит к незначительному увеличению скорости парообразования (примерно на 7 %) по сравнению с соленой водой в зачерненной колбе.
Дальнейший анализ полученных результатов будем выполнять, используя понятие эффективности парообразования -отношение доли мощности, затраченной на образования пара, к общей лучистой мощности, подведенной к системе:
Ц = Grlv /Q, (10)
где Q - полная лучистая мощность 260 Вт.
На рис. 4 показано сравнение значений эффективности парообразования, рассчитанных по (10) с использованием экспериментальных данных, с результатами расчетов по (9) для суспензий на основе МУНТ и наночастиц оксида железа Fe3O4 .
2 3
Концентрация частиц [масс.%]
а)
▲ Соленая вода
■ ■ Соленая вода / Зачерненная колба
2 3
Концентрация частиц [масс%]
б)
Дистиллированная вода Погрешность соленая вода в зачерненной колбе
Рис. 3. Зависимость расхода пара от массовой концентрации частиц для суспензий на основе: а углеродных нанотрубок МУНТ; б - наночастиц оксида железа Fe3O4
а)
б)
Рис. 4. Зависимость эффективности парообразования от концентрации частиц для суспензий на основе: а - углеродных нанотрубок; б - наночастиц оксида железа; точки - экспериментальные результаты; кривые - результаты расчетов по формуле (10); штрих-пунктирная линия - эффективность парообразования соленой воды в зачерненной колбе; серая область - погрешность эффективности парообразования соленой воды в зачерненной колбе (приведены для сравнения)
Для расчетов эффективности парообразования по уравнению (9) свойства дистиллированной и соленой воды были определены согласно [25, 26].
Мощность, затрачиваемая на нагрев рециркулируемого конденсата до температуры насыщения воды, не превосходила 6 % от полной лучистой мощности, подводимой к системе, и не оказывала существенного влияния на эффективность парообразования. Однако в случае, если для подпитки используется холодная вода, то затраты мощности на нагрев могут быть существенными и их необходимо учитывать при оценке эффективности процесса.
Анализ зависимостей рис. 4 показывает, что предложенная модель хорошо описывает экспериментальные данные со средним относительным отклонением 7,2 %. Максимальное отклонение предложенная модель продемонстрировала для суспензии с добавлением 5 масс. % МУНТ.
Анализ зависимости эффективности парообразования от концентрации частиц (рис. 4) показывает, что эффективности парообразования для суспензий на основе соленой и дистиллированной воды совпадают в пределах погрешностей. Аналогично расчетные кривые для суспензий на основе соленой и дистиллированной воды совпадают практически во всем диапазоне рассмотренных концентраций. Возможным объяснением слабой зависимости эффективности испарения от солености является уменьшение удельной теплоты парообразования с ростом солености [26].
Расчетная зависимость эффективности парообразования в зависимости от концентрации частиц (рис. 4) имеет максимум в области малых концентраций (~0,1 - 0,2 масс. %). Этот максимум обусловлен, главным образом, двумя конкурирующими эффектами при увеличении концентрации частиц: увеличением центров парообразования в области кипения и уменьшением толщины зоны кипения в силу увеличения коэффициента экстинкции суспензии. Оптимальная концентрация частиц, при которой достигается максимальная скорость парообразования, отмечалась также во многих экспериментальных работах [12, 14, 17, 18, 20]. Так, например, в [18], где в качестве базовой жидкости использовалась водопроводная вода, максимальная эффективность кипения суспензии на основе графитовых наночастиц достигалась при
концентрации частиц 3 масс. % и составляла 70 %. В нашем исследовании максимальная эффективность парообразования составила 67 % при использовании углеродных нанотрубок с концентрацией 5 масс. %. Схожие значения эффективности парообразования также были получены в [20].
Эффективность парообразования в суспензиях на основе наночастиц оксида железа Fe3O4 в нашем исследовании варьировалась от 55 до 58 % для различных концентраций частиц и незначительно превышала эффективность для соленой воды в зачерненной колбе. Эти результаты согласуются с данными, представленными в [22].
Выводы. Представлены результаты экспериментального и теоретического исследования кипения мелкодисперсных суспензий под действием теплового излучения. Исследования производились для двух типов частиц: многослойные углеродные нанотрубки и наночастицы оксида железа. Выбор рассмотренных типов частиц обусловлен рядом их преимуществ при использовании в солнечных парогенерирующих установках, а именно дешевизной, светопо-глощающими свойствами и возможностью организации замкнутого цикла пара.
Экспериментальное исследование было выполнено с помощью установки, способной работать в стационарном режиме с непрерывной рециркуляцией конденсата пара. Эксперименты проводились для массовых концентраций частиц в диапазоне от 0,5 до 5 %. В качестве базовой жидкости использовались дистиллированная вода и дистиллированная вода с добавлением морской (соленость 35 г/кг). Для сравнения было проведено эталонное экспериментальное исследование по кипению соленой воды без добавления частиц в зачерненном объеме. Сравнительный анализ экспериментальных данных для суспензий на основе дистиллированной и соленой воды не выявил существенной зависимости скорости парообразования от солености в рамках проведенного исследования. Экспериментальные результаты для суспензий с добавлением соли показали, что наибольшая скорость парообразования достигается при добавлении 5 масс. % углеродных нанотрубок. В этом случае скорость парообразования возрастает на 23 % по сравнению с эталонным экспериментом, а эффективность парообразования достигает 67 %.
В результате теоретического исследования было получено выражение для расчета скорости и эффективности парообразования. Результаты расчетов по модели хорошо согласуются с экспериментальными данными (среднее относительное отклонение в 7 %). Кроме того, разработанная модель указывает на существование оптимальной концентрации частиц, при которой достигается максимальная скорость парообразования. Согласно теоретическому анализу, максимум обусловлен одновременным увеличение центров парообразования и уменьшением толщины зоны кипения с ростом концентрации частиц.
Результаты настоящего исследования могут представлять интерес при разработке солнечных энергетических установок с паротурбинным циклом и солнечных опреснительных устройств.
Список литературы
1. Al-, Ga-, Mg-, or Li-doped zinc oxide nanoparticles as electron transport layers for quantum dot light-emitting diodes / A. Alexandrov, M. Zvaigzne, D. Lypenko, et al. // Scientific Reports. -2020. - Vol. 10, No. 1. - P. 7496. DOI: 10.1038/s41598-020-64263-2.
2. Cardenas Contreras E.M., Oliveira G.A., Bandarra Filho E.P. Experimental analysis of the thermohydraulic performance of graphene and silver nanofluids in automotive cooling system // International Journal of Heat and Mass Transfer. -2019. - Vol. 132. - P. 375-387. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.014.
3. Nanofluids for enhanced economics and safety of nuclear reactors: an evaluation of potential features, issues, and research gaps / J. Buongiorno, L.-W. Hu, S.J. Kim, et al. // Nuclear Technology. -2008. - Vol. 162, No. 1. - P. 80-91. DOI: 10.13182/NT08-A3934.
4. Singh R., Lillard J.W. Jr. Nanoparticle-based targeted drug delivery // Experimental and Molecular Pathology. - 2009. - Vol. 86, No. 3. -P. 215-223. DOI: 10.1016/j.yexmp.2008.12.004.
5. Сайкин М.С. Гермитизаторы на основе магнитной наножидкости для валов химических реакторов // Вестник ИГЭУ. - 2010. - Вып. 4. -С.44-47.
6. Synthesis, heat transport mechanisms and thermophysical properties of nanofluid: A critical overview / M. Awais, A.A. Bhuiyan, S. Salehin, et al. // International Journal of Thermofluids. - 2021. - Vol. 10, No. 4. - P. 100086. DOI: 10.1016/j.ijft.2021.100086.
7. Thermal conductivity measurements of nanofluids / M.I. Pryazhnikov, A.V. Minakov, V.Ya. Rudyak, D.V. Guzei // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2017. - Vol. 104. -
P. 1275-1282. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2016.09.080.
8. Измерение коэффициента теплопроводности наножидкостей методом нагреваемой нити / А.В. Минаков, В.Я. Рудяк, Д.В. Гузей и др. // Инженерно-физический журнал. - 2015. - Т. 88, № 1. - С. 148-160.
9. Influence of si-nanoparticles on PEDOT: PSS properties for hybrid solar cells / D. Mamedov, C.C. You, S.Z. Karazhanov, E.S. Marstein // Materials Today: Proceedings. - 2019. - Vol. 33. -P. 2517-2519. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.04.906.
10. Solar absorption characteristics of SiO2@Au core-shell composite nanorods for the direct absorption solar collector / C. Sun, Y. Zou,
C. Qin, et al. // Renewable Energy. - 2022. - Vol. 189. -P. 402-411. DOI: 10.1016/j.renene.2022.03.045.
11. Hybrid nanofluid in a direct absorption solar collecto: Magnetite vs. carbon nanotubes complete for thermal performance / P.G. Struchalin,
D.M. Kuzmenkov, V.S. Yunin, et al. // Energies. -2022. - Vol. 15, No. 5. - P. 1604. DOI: 10.3390/en15051604/
12. Volumetric solar heating of nanofluids for direct vapor generation / G. Ni, N. Miljkovic, H. Ghasemi, et al. // Nano Energy. - 2015. - Vol. 17. -P. 290-301. DOI: 10.1016/j.nanoen.2015.08.02.
13. Solar vapor generation enabled by nanoparticles / O. Neumann, A.S. Urban, J. Day, et al. // ACS Nano. - 2013. - Vol. 7. - P. 42-49. DOI: 10.1021/nn304948h.
14. Steam generation in a nanoparticle-based solar receiver / H. Jin, G. Lin, L. Bai, et al. // Nano Energy. - 2016. - Vol. 28. - P. 397-406. DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.011.
15. Water desalination using solar thermal collectors enhanced by nanofluids / M. Zakaria,
A.M. Sharaky, A.-S. Al-Sherbini, et al. // Chemical Engineering and Technology. - 2022. - Vol. 45, No. 1. - P. 15-25. DOI: 10.1002/ceat.202100339.
16. Recent progress in the use of renewable energy sources to power water desalination plants / M.A. Abdelkareem, M. El Haj Assad, E.T. Sayed,
B. Soudan // Desalination. - 2018. - Vol. 435. -P. 97-113. DOI: 10.1016/j.desal.2017.11.018.
17. Novel nanofluid based efficient solar vaporization systems with applications in desalination and wastewater treatment / Z. Meng, Z. Li, Y. Li, et al. // Energy. - 2022. - Vol. 247. -P. 123513. DOI: 10.1016/j.energy.2022.123513.
18. Ulset E.T., Kosinski P., Balakin B.V. Solar steam in an aqueous carbon black nanofluid // Applied Thermal Engineering. - 2018. - Vol. 137. -P. 62-65. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.03.038.
19. Lombard J., Biben T., Merabia S. Kinetics of nanobubble generation around overheated nanoparticles // Physical Review Letters. -2014. - Vol. 112, No. 10. - P. 105701. DOI: 10.1103/PhysRevLett. 112.105701.
20. Photothermal boiling in aqueous nanofluids / E.T. Ulset, P. Kosinski, Y. Zabednova, et al. // Nano Energy. - 2018. - Vol. 50. -P. 339-346. DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.050.
21. Visser J. On Hamaker constants: A comparison between Hamaker constants and Lifshitz-van der Waals constants // Advances in Colloid and Interface Science. - 1972. - Vol. 2, No. 4. -P. 331-363. DOI: 10.1016/0001-8686(72)85001-2.
22. Solar steam generation enabled by iron oxide nanoparticles: Prototype experiments and theoretical model / P.G. Struchalin, H. Thon, D.M. Kuzmenkov, et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2020. - Vol. 158. - P. 119987. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119987.
23. Dietzel M., Poulikakos D. On vapor bubble formation around heated nanoparticles in liquids // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2007. - Vol. 50. - P. 2246-2259. DOI: 10.1016/j. ijheatmasstransfer.2006.10.035.
24. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - 5-е изд. перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 c.
25. Wagner W., PruB A. The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use // Journal of Physical and Chemical Reference Data. - 2002. - Vol. 31. - P. 387-535. DOI: 10.1063/1.1461829.
26. Sharqawy M., Lienhard V.J., Zubair S. Thermophysical properties of seawater: A review of existing correlations and data // Desalination and Water Treatment. - 2010. - Vol. 16. - P. 354-380. DOI: 10.5004/dwt.2010.1079.
References
1. Alexandrov, A., Zvaigzne, M., Lypenko, D., Nabiev, I., Samokhvalov, P. Scientific Reports, 2020, vol. 10, no. 1, pp. 7496. DOI: 10.1038/s41598-020-64263-2.
2. Cardenas Contreras, E.M., Oliveira, G.A., Bandarra Filho, E.P. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, vol. 132, pp. 375-387. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.014.
3. Buongiorno, J., Hu, L.-W., Kim, S.J., Hannink, R., Truong, B., Forrest, E. Nuclear Technology, 2008, vol. 162, no. 1, pp. 80-91. DOI: 10.13182/NT08-A3934.
4. Singh, R., Lillard, J.W. Jr. Experimental and Molecular Pathology, 2009, vol. 86, no. 3, pp. 215-223. DOI: 10.1016/j.yexmp.2008.12.004.
5. Saykin M.S. Vestnik IGEU, 2010, issue 4, pp. 44-47.
6. Awais, M., Bhuiyan, A.A., Salehin, S., Ehsan, M.M., Khan, B., Rahman, Md.H. International Journal of Thermofluids, 2021, vol. 10, no. 4, pp. 100086. DOI: 10.1016/j.ijft.2021.100086.
7. Pryazhnikov, M.I., Minakov, A.V., Rudyak, V.Ya., Guzei, D.V. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 104, pp. 1275-1282. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2016.09.080.
8. Minakov, A.V., Guzei, D.V., Pryazhnikov, M.I., Lobasov A.S., Rudyak, V.Ya. Inzhener-no-fizicheskiy zhurnal, 2015, vol. 88, no. 1, pp. 148-160. DOI: 10.1007/s10891-015-1177-7.
9. Mamedov, D., You, C.C., Karazhanov, S.Z., Marstein, E.S. Materials Today: Proceedings, 2019, vol. 33, pp. 2517-2519. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.04.906.
10. Sun, C., Zou, Y., Qin, C., Chen, M., Li, X., Zhang, B., Wu, X. Renewable Energy, 2022, vol. 189, pp. 402-411. DOI: 10.1016/j.renene.2022.03.045.
11. Struchalin, P.G., Kuzmenkov, D.M., Yunin, V.S., Wang, X., He, Y., Balakin, B.V. Energies, 2022, vol. 15, no. 5, 1604. DOI: 10.3390/en15051604.
12. Ni, G., Miljkovic, N., Ghasemi, H., Huang, X., Boriskina, S.V., Lin, C.-T., Wang, J., Xu, Y., Rahman, Md.M., Zhang, T.-J., Chen, G. Nano Energy, 2015, vol. 17, pp. 290-301. DOI: 10.1016/j.nanoen.2015.08.02.
13. Neumann, O., Urban, A.S., Day, J., Lal, S., Nordlander, P., Halas, N.J. ACS Nano, 2013, vol. 7, pp. 42-49. DOI: 10.1021/nn304948h.
14. Jin, H., Lin, G., Bai, I., Zeiny, A., Wen, D. Nano Energy, 2016, vol. 28, pp. 397-406. DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.011.
15. Zakaria, M., Sharaky, A.M., Al-Sher-bini, A.-S., Bassyouni, M., Rezakazemi, M., Elhenawy, Y. Chemical Engineering and Technology, 2022, vol. 45, no. 1, pp. 15-25. DOI: 10.1002/ceat.202100339.
16. Abdelkareem, M.A., El Haj Assad, M., Sayed, E.T., Soudan, B. Desalination, 2018, vol. 435, pp. 97-113. DOI: 10.1016/j.desal.2017.11.018.
17. Meng, Z., Li, Z., Li, Y., Zhang, C., Wang, K., Yu, W., Wu, D., Zhu, H., Li, W. Energy, 2022, vol. 247, pp. 123513. DOI: 10.1016/j.energy.2022.123513.
18. Ulset, E.T., Kosinski, P., Balakin, B.V. Applied Thermal Engineering, 2018, vol. 137, pp. 62-65. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.03.038.
19. Lombard, J., Biben, T., Merabia, S. Physical Review Letters, 2014, vol. 112, no. 10, pp. 105701. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.105701.
20. Ulset, E.T., Kosinski, P., Zabednova, Y., Zhdaneev, O.V., Struchalin, P.G., Balakin, B.V. Nano Energy, 2018, vol. 50, pp. 339-346. DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.050.
21. Visser, J. Advances in Colloid and Interface Science, 1972, vol. 2, no. 4, pp. 331-363. DOI: 10.1016/0001 -8686(72)85001 -2.
22. Struchalin, P.G., Thon, H., Kuzmenkov, D.M., Kutsenko, K.V., Kosinski, P., Balakin, B.V. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, vol. 158, pp. 119987. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119987.
23. Dietzel, M., Poulikakos, D. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, vol. 50, pp. 2246-2259. DOI: 10.1016/j. ijheatmasstransfer.2006.10.035.
24. Kutateladze, S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of heat transfer]. Moscow: Atomizdat, 1979. 416 p.
25. Wagner, W., Pruß, A. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 2002, vol. 31, pp. 387-535. DOI: 10.1063/1.1461829.
26. Sharqawy, M., Lienhard, V.J., Zubair, S. Desalination and Water Treatment, 2010, vol. 16, pp. 354-380. DOI: 10.5004/dwt.2010.1079.
