Объемный нагрев и поверхностное испарение наножидкостей под воздействием солнечного излучения
Аннотация
Теоретически и экспериментально исследованы процессы нагрева и испарения различных наножидкостей на базе дистиллированной воды. Разработана математическая модель нагрева наножидкостей, состоящих из сферических наночастиц, для предварительной оценки эффективности их нагрева под воздействием солнечного излучения. Созданная модель представляет собой гомогенную систему, оптические свойства которой описаны на основе Рэлеевского рассеяния.
В рамках теоретического исследования проведены расчеты скорости нагрева и получено температурное распределение по глубине наножидкостей в зависимости от различных параметров, включая концентрацию и размер наночастиц, интенсивность падающего теплового излучения и др. Экспериментальное исследование по нагреву и поверхностному испарению наножидкостей на основе оксидных и углеродных наноматериалов проходило в лабораторных условиях с использованием солнечного имитатора. Получены данные о плотности потока массы испаряемой жидкости и изменении температуры наножидкостей по времени и концентрации наночастиц. Экспериментальные результаты показали, что вклад наночастиц в поглощение солнечного излучения в инфракрасном диапазоне длин волн сравнительно мал, и основную роль в поглощении излучения данного диапазона играет базовая жидкость (вода). Теоретическая модель успешно предсказала тенденцию развития процесса нагрева наножидкостей и продемонстрировала характер изменения скорости нагрева в зависимости от ряда параметров. Однако, теоретические расчеты показали пониженную эффективность нагрева исследуемых наножидкостей (почти в 2 раза). Главной причиной данного факта являются приближение и допущения в определении теплофизических и оптических свойств наножидкостей. Последние вызывают определенную трудность, и требуется несколько подходов для их оценки. Полученные результаты послужат основой для разработки более точной математической модели и продолжения исследований процесса нагрева наножидкостей в разных режимах с целью определения оптимального режима конверсии солнечного излучения в тепло и (или) пар в солнечной теплоэнергетике.
Литература
2. Dmitriev A.S. Hybrid Graphene Nanocomposites: Thermal Interface Materials and Functional Energy Materials // Graphene Production and Appl. IntechOpen, 2019.
3. Guo Y. e. a. Tailoring Nanoscale Surface Topography of Hydrogel for Efficient Solar Vapor Generation // Nano Letters. 2019. V. 19(4). Pp. 2530—2536.
4. Zhou X., Guo Y., Zhao F., Yu G. Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification // Accounts of Chemical Research. 2019. V. 52(11). Pp. 3244—3253.
5. Yang J. e. a. Wood-based Solar Interface Evaporation Device with Self-desalting and High Antibacterial Activity for Efficient Solar Steam Generation // ACS Appl. Mater. Interfaces 2020. V. 12(41). Pp. 47029—47037.
6. Jin X. e. a. Nanomaterial Design for Efficient Solar-Driven Steam Generation // ACS Appl. Energy Materials. 2019. V. 2(9). Pp. 6112—6126.
7. Кузьменков Д.М. Кипение мелкодисперсных суспензий под действием теплового излучения: дис. ... канд. техн. наук. М.: НИЯУ МИФИ, 2022.
8. Li X. e. a. Measuring Conversion Efficiency of Solar Vapor Generation // Joule. 2019. V. 3(8). Pp. 1798—1803.
9. Akilu S. e. a. A Review of Thermophysical Properties of Water Based Composite Nanofluids // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2016. V. 66. Pp. 654—678.
10. Gorji Tahereh B., Ranjbar A.A., Mirzababaei S.N. Optical properties of Carboxyl Functionalized Carbon Nanotube Aqueous Nanofluids as Direct Solar Thermal Energy Absorbers // Solar Energy. 2015. V. 119. Pp. 332—342.
11. Trong Tam Nguyen e. a. Carbon Nanomaterial-based Nanofluids for Direct Thermal Solar Absorption // Nanomaterials. 2020. V. 10(6). P. 1199.
12. Traciak J. e. a. Surface and Optical Properties of Ethylene Glycol-based Nanofluids Containing Silicon Dioxide Nanoparticles: an Experimental Study // J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2022. V. 147. Pp. 7665—7673.
13. Бабичев А.П. и др. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991.
14. Vasiliev O.O. e. a. Special Features of the Heat Capacity of Detonation Nanocrystalline Diamond // J. Superhard Materials. 2015. V. 37(6). Pp. 388—393.
15. Gimeno F.A. On the Use of Nanofluids to Enhance the Direct Absorption of Solar Radiation. Castello de la Plana: Jaume I University, 2019.
16. Sajid H.M. e. a. Spotlight on Available Optical Properties and Models of Nanofluids: a Review // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2015. V. 43. Pp. 750—762.
17. Said, Z., Saidur R., Rahim N.A. Optical Properties of Metal Oxides Based Nanofluids // Intern. Communications in Heat and Mass Transfer. 2014. V. 59. Pp. 46—54.
18. Ding T., Zhou Y., Ong W., Ho G. Hybrid Solar-driven Interfacial Evaporation Systems: Beyond Water Production Towards High Solar Energy Utilization // Materials Today. 2021. V. 42. Pp. 178—191.
19. Awais M. e. a. Synthesis, Heat Transport Mechanisms and Thermophysical Properties of Nanofluids: a Critical Overview // Intern. J. Thermofluids. 2021. V. 10. P. 100086.
20. Panduro E.A.C. e. a. A Review of the Use of Nanofluids as Heat-transfer Fluids in Parabolic-trough Collectors // Appl. Thermal Eng. 2022. V. 211. P. 118346.
21. Lee Y., Jeong H., Sung Y. Thermal Absorption Performance Evaluation of Water-based Nanofluids (CNTs, Cu, and Al2O3) for Solar Thermal Harvesting // Energies. 2021. V. 14(16). P. 4875.
---
Для цитирования: Чан Куок Тхинь, Дмитриев А.С. Объемный нагрев и поверхностное испарение наножидкостей под воздействием солнечного излучения // Вестник МЭИ. 2023. № 6. С. 110—119. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-110-119
---
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-19-00840) https://rscf.ru/project/23-19-00840/
#
1. Dmitriev A.S., Klimenko A.V. Preobrazovanie Solnechnogo Izlucheniya v Par —Novye Vozmozhnosti na Osnove Nanomaterialov (Obzor). Teploenergetika. 2020;2:1—16. (in Russian).
2. Dmitriev A.S. Hybrid Graphene Nanocomposites: Thermal Interface Materials and Functional Energy Materials. Graphene Production and Appl. IntechOpen, 2019.
3. Guo Y. e. a. Tailoring Nanoscale Surface Topography of Hydrogel for Efficient Solar Vapor Generation. Nano Letters. 2019;19(4):2530—2536.
4. Zhou X., Guo Y., Zhao F., Yu G. Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification. Accounts of Chemical Research. 2019;52(11):3244—3253.
5. Yang J. e. a. Wood-based Solar Interface Evaporation Device with Self-desalting and High Antibacterial Activity for Efficient Solar Steam Generation. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020;12(41):47029—47037.
6. Jin X. e. a. Nanomaterial Design for Efficient Solar-Driven Steam Generation. ACS Appl. Energy Materials. 2019;2(9):6112—6126.
7. Kuz'menkov D.M. Kipenie Melkodispersnykh Suspenziy pod Deystviem Teplovogo Izlucheniya: Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIYAU MIFI, 2022. (in Russian).
8. Li X. e. a. Measuring Conversion Efficiency of Solar Vapor Generation. Joule. 2019;3(8):1798—1803.
9. Akilu S. e. a. A Review of Thermophysical Properties of Water Based Composite Nanofluids. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2016;66:654—678.
10. Gorji Tahereh B., Ranjbar A.A., Mirzababaei S.N. Optical properties of Carboxyl Functionalized Carbon Nanotube Aqueous Nanofluids as Direct Solar Thermal Energy Absorbers. Solar Energy. 2015;119:332—342.
11. Trong Tam Nguyen e. a. Carbon Nanomaterial-based Nanofluids for Direct Thermal Solar Absorption. Nanomaterials. 2020;10(6):1199.
12. Traciak J. e. a. Surface and Optical Properties of Ethylene Glycol-based Nanofluids Containing Silicon Dioxide Nanoparticles: an Experimental Study. J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2022;147:7665—7673.
13. Babichev A.P. i dr. Fizicheskie Velichiny. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
14. Vasiliev O.O. e. a. Special Features of the Heat Capacity of Detonation Nanocrystalline Diamond. J. Superhard Materials. 2015;37(6):388—393.
15. Gimeno F.A. On the Use of Nanofluids to Enhance the Direct Absorption of Solar Radiation. Castello de la Plana: Jaume I University, 2019.
16. Sajid H.M. e. a. Spotlight on Available Optical Properties and Models of Nanofluids: a Review. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2015;43:750—762.
17. Said, Z., Saidur R., Rahim N.A. Optical Properties of Metal Oxides Based Nanofluids. Intern. Communications in Heat and Mass Transfer. 2014;59:46—54.
18. Ding T., Zhou Y., Ong W., Ho G. Hybrid Solar-driven Interfacial Evaporation Systems: Beyond Water Production Towards High Solar Energy Utilization. Materials Today. 2021;42:178—191.
19. Awais M. e. a. Synthesis, Heat Transport Mechanisms and Thermophysical Properties of Nanofluids: a Critical Overview. Intern. J. Thermofluids. 2021;10:100086.
20. Panduro E.A.C. e. a. A Review of the Use of Nanofluids as Heat-transfer Fluids in Parabolic-trough Collectors. Appl. Thermal Eng. 2022;211. P. 118346.
21. Lee Y., Jeong H., Sung Y. Thermal Absorption Performance Evaluation of Water-based Nanofluids (CNTs, Cu, and Al2O3) for Solar Thermal Harvesting. Energies. 2021;14(16):4875
---
For citation: Tran Quoc Thinh, Dmitriev A.S. Bulk Heating and Surface Evaporation of Nanofluids under Solar Radiation. Bulletin of MPEI. 2023;6:110—119. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-6-110-119
---
The work is executed at support: Russian Science Foundation (Project No. 23-19-00840) https://rscf.ru/project/23-19-00840/
