CC BY
76
sushke zernovykh kul'tur [Use of solar energy for drying grain crops], Vestnik Kazakhskogo nauchno-tekhnicheskogo uni-versiteta im. K.I. Satpayeva. Tekhnicheskiye nauki, Kazakhstan, Kaz.NTU, 2015, No 5, pp. 273-277.
10. Duffie John A., Beckman William A. Solar engineering of thermal process, 4th edition, New York, John Wiley and Sons, 2013,936 p.
11. Abdulrahman M. Homadi. Investigation on Choosing the Suitable Geometry of the Solar Air Heater to Certain
Conditions, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Electical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering, 2016, Vol. 10, No 9.
12. Afaq Jasim Mahmood. Experimental Study of a Solar Air Heater With A New Arrangement of Transverse Longitudinal Baffles, Journal of Solar Energy Engineering, 2017, Feb., Vol. 139(3).
Сведения об авторах
Веселова Наталья Михайловна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Электроснабжение сельского хозяйства и теоретических основ электротехники», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-988-001-24-68. E-mail: veselovanm28@gmail.com.
Свистунов Александр Сергеевич - студент, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-937-105-17-55. E-mail: alexander.swistunov2012@yandex.ru.
Information about the authors
Veselova Natalia Mikhailovna - Candidate of Technical Sciences, associate Professor, head of the Electricity supply of agriculture and theoretical foundations of electrical engineering department, FSBEI HE «Volgograd State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-988-001-24-68. E-mail: veselovanm28@gmail.com.
Svistunov Alexander Sergeevich - student, FSBEI HE «Volgograd State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-937-105-17-55. E-mail: alexander.swistunow2012@yandex.ru.
УДК 620.9
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
© 2017 г. А.В. Щегольков, А.В. Щегольков, И.О. Плотницкий
Целью работы являются исследования вопросов модификации парафинов углеродными наноструктурами и разработка рекомендаций по применению модифицированных парафинов в сфере возобновляемой энергетики, а именно для повышения эффективности солнечных коллекторов путем улучшения систем накопления тепловой энергии. Измерение теплофизических параметров парафина, модифицированного углеродными нанотрубками, проводились на приборах ИТ-А-400 (измерение теплопроводности) и ИТ-С-400 (измерение теплоемкости) в режиме монотонного разогрева со средней скоростью 0,1 °С /с при адиабатических условиях. Модифицирование парафина различными типами УНМ позволяет изменить его теплофизические параметры, следствием чего является изменение положения точки фазового перехода, а также расширение границ фазового перехода. Это позволяет повысить эффективность системы теплоакку-муляции, так как расширяется диапазон температур фазового перехода, что в свою очередь приводит к увеличению накопленной теплоты на 30-50%. Согласно проведенным экспериментальным исследованиям установлены температурные зависимости теплоемкости и теплопроводности для парафина, модифицированного углеродными нанотрубками с различным типом морфологии УНМ, УНМ М и УНМ МД. Из-за фазового перехода в рабочем диапазоне температур при равных габаритах тепловой аккумулятор для солнечного коллектора, на основе парафинов, модифицированных углеродными нанотрубками, накапливает до двух раз больше количества теплоты, чем тепловой аккумулятор на основе воды, что в свою очередь позволяет уменьшить тепловые потери. Таким образом, применение парафинов, модифицированных углеродными нанотрубками, позволяет сделать использование солнечных коллекторов экономически выгодным как с точки зрения эксплуатации, так и на стадии монтажных и пусконаладочных работ. Существуют перспективы применения разработанного материала для тепловых насосов и конгенераторных установок.
Ключевые слова: теплоаккумулирующие материалы, углеродные наноструктуры, энергосбережение, углеродные нанотрубки, нанотехнологии, энергоэффективность.
The aim of this paper is the research of modifications of paraffin by carbon nanostructures and development of recommendations on the use of modified paraffin in the field of renewable energy, namely to improve the efficiency of solar collectors by improving the systems of accumulation of thermal energy. Measurement of thermophysical parameters of paraffin modified by carbonic nanotubes was realized on the devices of the IT-A-400 (measurement of conductivity) and the IT-C-400 (measurement of heat capacity) in a monotonic warming mode with an average speed of 0,1 °C at adiabatic conditions. The modification of paraffin different types of CNM provides to change its thermophysical parameters, as a result there is a changing position of the point of phase transition, as well as the expansion of the boundaries of the phase transition. This improves the efficiency of the heat accumulation system, as the temperature range of transition phase is expanding, which in turn leads to an increase of the
accumulated heat by 30-50%. According to a pilot research temperature dependences of the heat capacity and thermal conductivity of paraffin nanotubes with different morphology of CNM, CNM M, CNM MD is revealed. Due to the phase transition in the operating temperature range the heat accumulator for a solar collector, based on modified by carbon nanotubes paraffin, accumulates up to 2 times larger amount of heat than the heat accumulator on the basis of water. Thus, the application of modified by carbon nanotubes paraffin enable to use the solar collectors economically efficient, both on operation, and installation. There are prospects of the application of the developed material for heat pumps and cogenerating installations.
Keywords: heat storage materials, carbon nanostructures, energy saving, carbon nanotubes, nanotechnology, energy efficiency.
Введение. Одним из основных направлений развития возобновляемой энергетики является развитие солнечных энергетических систем на основе солнечных коллекторов. Это обусловлено их надежностью, ремонтопригодностью, сравнительно невысоким сроком окупаемости и экологичностью как в процессе эксплуатации, так и при производстве. Эффективность солнечных коллекторов определяется целым рядом факторов [1-3], однако возможность повышения эффективности накопления тепловой энергии и её последующее распределение по потребителям является ключевым фактором, определяющим эффективность солнечных коллекторов. Стоит также учитывать возможность расширения функциональных возможностей, что может быть реализовано путем введения вспомогательной системы электрогенерации. Для обеспечения вышесказанного требуется совершенствование системы тепловой аккумуляции. Применение водных и масляных тепловых аккумуляторов в структуре солнечных коллекторов сопряжено с необходимостью применения больших баков накопителей. В этом отношении система тепловой аккумуляции должна быть компактной и иметь высокие энергетические параметры.
Аккумулирование тепла происходит путем изменения физических параметров теплоакку-мулирующего материала (ТАМ) и за счет использования энергии связи атомов и молекул [3-6]. Каждый аккумулятор должен запасать как можно больше энергии на единицу массы и сохранять эту энергию как можно дольше. Существует несколько способов аккумулирования теплоты: теплоемкостный, термохимический и фазопереходный. Для поглощения тепла, выделяющегося при повторно-кратковременных включениях мощных источников энергии, в ряде случаев выгодно применять обратимые процессы, которые сопровождаются значительными эндотермическими эффектами при фазовых или химических превращениях теплоаккумули-рующих веществ [6]. Поэтому наиболее эффек-
тивным для некоторых производственных операций, в том числе и тепловых процессов химического оборудования, является аккумулирование тепла за счет фазовых переходов ТАМ [5]. Под аккумулированием на основе теплоты фазового перехода в большинстве случаев понимают аккумулирование теплоты плавления. Часто, как дополнение к теплоте фазового перехода, используется теплота нагрева (внутренняя энергия) жидкости или твердой фазы. Это увеличивает емкость аккумулятора, но лишает возможности использования преимущества теплоснабжения при постоянной температуре.
В качестве материалов для тепловых аккумуляторов следует применять материалы, находящиеся в широком доступе, являющиеся нетоксичными и не требующие для своей переработки больших энергетических затрат.
Для создания фазопереходного теплового аккумулятора на основе различных ТАМ проведен ряд исследований, определены возможности многих веществ в качестве рабочего тела аккумулятора и выбраны наиболее перспективные из них. Так, в диапазоне температур плавления от комнатной до 100 °С наиболее подходящими являются парафины и воски, выше 100 °С до 200 °С - некоторые кристаллогидраты солей, а в диапазоне 600-800 °С - гидрид лития и фторид лития; при температурах выше 1000 °С - окислы бериллия, магния, алюминия, кремния, их соединения и эвтектические составы, а также силициды и бориды некоторых металлов [7].
В этом отношении стоит уделить внимание такому теплоаккумулирующему материалу, как парафин. Существует большое количество разновидностей парафинов, которые с энергетической точки зрения отличаются температурой плавления и незначительно - теплоемкостью и теплопроводностью. Однако прямое применение парафина затруднено, что связано с низкой теплопроводностью. Существуют технологии подбора температуры фазового перехода для парафина, в основе которых лежит
смешивание разных парафинов и получение среднего значения точки фазового перехода. Применение представленного способа имеет ограничение ввиду сложности подбора для больших технологических процессов, где требуется большое количество материалов и возможность расслаивания в процессе эксплуатации. С развитием такого научного направления, как нанотехнологии появилась возможность модифицирования парафинов углеродными наноструктурами, а именно углеродными нанотруб-ками. Рядом авторов установлено, что введение углеродных нанотрубок не влияет на значение теплоты фазового перехода, а лишь пропорционально количеству углеродных нанотрубок увеличивает теплопроводность. При этом существуют работы, в которых установлено увеличение и теплопроводности и значения теплоты фазового перехода [4-12]. Существование противоречий может быть связано с различной морфологией углеродных наноструктур и методов проведения модификации парафинов. В этом отношении актуальными являются исследования, связанные с модификацией пара-
финов углеродными наноструктурами и рекомендациями по применению модифицированных парафинов [7, 8].
Методика и материалы. При разработке тепловых аккумуляторов следует уделить внимание перспективному научному направлению, которое касается создания и применения наноматериалов [9, 10]. В первую очередь необходимо рассматривать наноматериалы, выпускаемые в промышленных масштабах. К таким наноматериалам относится углеродный на-номатериал серии «Таунит» (ООО «НаноТех-Центр»), для выпуска представленного материала имеется промышленный комплекс оборудования. Углеродный наноматериал серии «Таунит» представляет собой углеродные, на-номасштабные, нитевидные образования преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом (рисунок 1). Согласно формирующейся классификации их относят к многослойным нанотрубкам со структурой «ламповые абажуры». Характерные размеры МУНТ лежат в диапазоне: наружный диаметр Рн = 15-40 нм; внутренний - Рвн = 3-6 нм.
Рисунок 1 - Микрофотография наноструктурного углерода (Таунит) в масштабе 200 нм
Качественные показатели парафина П-2 нефтяного твердого
№ п/п Наименование показателей Норма Методы испытаний
1 Внешний вид Кристаллическая масса белого цвета Визуально
2 Температура плавления, °С, не ниже 52,0 ГОСТ 4255
3 Массовая доля масла, %, не более 0,80 ГОСТ 9090
4 Цвет, условные марки, не более 4 ГОСТ 25337
5 Запах отсутств. ГОСТ 23683
6 Содержание бензапирена отсутств. ГОСТ 23683
7 Массовая доля серы, % отсутств. ГОСТ 1437
В качестве парафина использовали парафин П-2. Плотность твёрдого парафина при 15 °С в зависимости от его чистоты колеблется от 0,881-0,905 г/см3 (неочищенный парафин) до 0,907-0, 915 г/см3 (очищенный парафин). В таблице приведены характеристики парафина П-2.
Методика модификации парафина углеродными нанотрубками. В емкость из диэлектрического материала (силикон или полиэтилен) объемом 0,01 м3 поместили 0,002 кг окисленных УНТ Таунит и добавили разогретый до 70 °С парафин марки П2 в количестве 0,2 кг. Смесь обработали ультразвуком с частотой 22,5 кГц в течение 1 часа при перемешивании механической мешалкой (100 об/мин). После остывания материала до температуры 50 °С производили
С, кДж'кгТ I
повторный нагрев до 70 °С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 40 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 минут. Далее давали повторное охлаждение до температуры 50 °С и производили повторный нагрев до 70 "С с последующей обработкой ультразвуком при частоте 60 кГц и перемешиванием механической мешалкой (100 об/мин) в течение 20 минут. Получили черный непрозрачный материал.
Измерение теплофизических параметров модифицированного парафина проводилось на приборах ИТ-А-400 и ИТ-С-400 (измерение теплоемкости) в режиме монотонного разогрева со средней скоростью 0,1 °С /с при адиабатических условиях.
\ \
ч N У < -Х>—.
// /' \ _/' \ \
«X* —__
20 30
40
50
60 70
80
90 Т, °С
1 - парафин, модифицированный УНМ; 2 - парафин, модифицированный УНМ М; 3 - парафин, модифицированный УНМ МД Рисунок 2 - Температурная зависимость теплоемкости наномодифицированного парафина
Зц Вт м"С
0.44
0,42 0,40
0,38
0.36
0.34
\ \
\ \ 1 \ ^—
V \ 1
---- г- ■ч----- >----
20 30 40 50 60 70 80 90 Т, °С
1 - парафин, модифицированный УНМ; 2 - парафин, модифицированный УНМ М; 3 - парафин, модифицированный УНМ МД
Рисунок 3 - Температурная зависимость теплопроводности парафина,
модифицированного углеродными нанотрубками
Результаты исследований и их анализ. Согласно экспериментальным исследованиям (рисунки 2, 3) установлены температурные зависимости для парафина, модифицированного углеродными нанотрубками с различным типом углеродного наноматериала УНМ, УНМ М и УНМ МД. Проводя анализ температурных зависимостей, можно сделать вывод, что модифицирование парафина различными типами УНМ позволяет изменить его теплофизические параметры, следствием чего является изменение положения точки фазового перехода, а также расширение границ фазового перехода. Это позволяет повысить эффективность системы теплоаккумуляции, так как расширяется диапазон температур фазового перехода, что в свою очередь приводит к увеличению накопленной теплоты на 30-50%.
В то же время имеется возможность получения разнообразных типов зависимости теплоемкости от температуры, теплопроводности и физико-механических характеристик путем комбинирования различных соотношений углеродного наноматериала серии «Таунит», а также физических воздействий с целью оптимизации работы теплового аккумулятора в различных температурных режимах.
В интервале температур 20-35 °С, характерном для твердого состояния парафина, наблюдается постепенное увеличение коэффици-
ента теплопроводности с ростом температуры -0,24-0,25 Вт/м °С. Увеличение коэффициента теплопроводности в интервале 40-80 °С объясняется фазовым переходом парафина.
В случае модификации парафина углеродными нанотрубками, температурная зависимость теплопроводности имеет линейный вид в диапазоне от 20 до 100 °С, при этом имеет место увеличение значения теплопроводности от 33 до 39% от значения, которое парафин имел до модификации. Величина теплопроводности парафина, модифицированного углеродными нанотрубками, влияет на режимы заряда и разряда теплового аккумулятора.
Система тепловой аккумуляции на основе модифицированного парафина. На рисунке 4 представлена система теплоаккумуляции и энергообеспечения технологического объекта на основе тепловых аккумуляторов 3 и солнечного коллектора 1. Система работает следующим образом: теплота, получаемая от солнечных коллекторов 1 и внутренних ТА 3 (тепловых аккумуляторов), накапливается в общем ТА 4, который в общем случае представляет собой элементы конструкции здания и сооружения и способен принимать различную рациональную форму. Теплообмен между отдельными элементами ТА осуществляется с помощью тепловых труб.
Рисунок 4 - Система энергообеспечения с устройствами теплоаккумуляции
Выводы. Модифицирование парафина различными типами УНМ позволяет изменить его теплофизические параметры, следствием чего является изменение положения точки фазового перехода, а также расширение границ фазового перехода. Это позволяет повысить эффективность системы теплоаккумуляции, так как расширяется диапазон температур фазового перехода, что в свою очередь приводит к увеличению накопленной теплоты на 30-50%.
Из-за фазового перехода в рабочем диапазоне температур при равных габаритах тепловой аккумулятор на основе наномодифициро-ванных парафинов накапливает до двух раз больше количества теплоты, чем тепловой аккумулятор на основе воды, что в свою очередь позволяет уменьшить теплопотери.
Таким образом, применение наномоди-фицированных парафинов позволяет сделать использование солнечных коллекторов экономически выгодными как с точки зрения эксплуатации, так и на стадии монтажных и пуско-наладочных работ.
Литература
1. Sharma, S.D. Latent heat storage materials and systems: A review / S.D. Sharma, K. Sagara II International Journal of Green Energy. - 2005. - Vol. 2. - P. 1-56.
2. Dincer, I. Renewable energy, environment and sustainable development 11. Dincer II Proceedings of the World Renewable Energy Congress V. - Florence, Italy, 1998. -P. 2559-62.
3. Rosen, MA. The role of energy efficiency in sustainable development I M.A. Rosen II Technol. Soc. -1996. -15(4).-P. 21-26.
4. Dincer, I. A Worldwide Perspective on Energy, Environment and Sustainable Development I I. Dincer, M.A. Rosen II International Journal of Energy Reseach. -1998 - Vol. 22. -P. 1305-21.
5. A study on modification of graphene nano platelets with polyaniline I I. Anosova, T. Dyachkova, A. Rukhov, E. Galunin, A. Tkachev II AIP conference proceedings. -2016.-Vol. 1772.-P. 030001.
6. Multiwall carbon nanotubes purification and oxidation by nitric acid studied by the FTIR and electron spectroscopy methods / L. Stobinski, B. Lesiak, L. Kover, J. Toth, S. Biniak, G. Trykowski, J. Judek II Journal of Alloys and Compounds. - 2010. - Vol. 501. - P. 77-84.
7. Warzoha, R.J. Effect of carbon nanotube interfacial geometry on thermal transportin solid-liquid phase change materials / R.J. Warzoha and A.S. Fleischer II Applied Energy. -2015. -Vol. 154.-P. 271-276.
8. Effect of ultrasound on catalytic system for synthesizing carbon nanomaterials / E.A Burakova, A.E. Burakov, E.Y. Filatova, A.G. Tkachev II Theor. Found. Chem. Eng. -2014.-Vol. 48.-P. 493-496.
9. Shchegolkov, A.V. Regenerative Heat Exchanger Based on Graphene-Modified Paraffin for Portable Respiratory Devices / A.V. Shchegolkov II Nano Hybrids and Composites. -2017. -Vol. 13.-P. 69-74.
10. Warzoha, R.J. Temperature-dependent thermal properties of a paraffin phase change material embedded with herringbone graphite nanofibers I R.J. Warzoha, R.M. Weigand and AS. Fleischer II Applied Energy. - 2015. -Vol. 137. - P. 716-725.
11. Graphene-Modified Heat-Accumulating Materials and Aspects of their Application in Thermotherapy and Biotechnologies I A.V. Shchegolkov, A.V. Shchegolkov, E.V. Galunin, A.A. Popova, R.M. Krivosheev, N.R. Memetov, A.G. Tkachev II Nano Hybrids and Composites. - 2017. -Vol. 13. - P. 21-25.
Сведения об авторах
Щегольков Александр Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технопогии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Российская Федерация).
Щегольков Алексей Викторович - аспирант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» (Российская Федерация). E-mail: energynano@ya.ru, b alexxx5000@mail.rud.
Плотницкий Игорь Олегович - Генеральный директор ООО «Объединение инноваций» (г. Домодедово, Российская Федерация).
Information about the authors
Schegolkov Aleksandr Victorovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technique and technology of nanoproducts manufacture department, FSBEI HE «Tambov State Technical University» (Russian Federation).
Schegolkov Alexey Victorovich - postgraduate student of the Technique and technology of nanoproducts manufacture department, FSBEI HE «Tambov State Technical University» (Russian Federation). E-mail: energynano@ya.ru, b alexxx5000@mail.rud.
Plotnitskiy Igor Olegovich - General director of LLC «Union of innovation» (Domodedovo, Russian Federation).
