Ученые придумали инновационную систему отопления дома солнечным светом
16 Февраля 2021
Фото: сайт ЮУрГУ
Нанотехнологии позволили на 10 % повысить КПД преобразования солнечной энергии в тепловую.
Челябинские ученые разработали нанотехнологию, повышающую отдачу превращения природной энергии Солнца в тепло. Идея отопления домов от солнечного света, в общем-то, не нова. Для этого применяют тепловые аналоги солнечных батарей — теплоколлекторы. Но КПД таких устройств невысок, что сдерживает их применение. Международная команда исследователей из России, Малайзии, Китая и Ирана нашла выход: применив новейшие нанотехнологии, использовать в теплообменниках в качестве теплоносителей вещества с особыми свойствами — гидрофторэфиры. Ученые провели компьютерное исследование перемещения слоев в потоке наножидкости, текущей в горизонтальной трубке, и результаты превзошли все ожидания.
Идея виртуального тестирования наножидкостей для теплообменников принадлежит ученым ЮУрГУ, доктору технических наук, профессору кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Евгению Соломину и доктору Мухаммаду Язди. Они изучили тепловое влияние двух типов наножидкостей, которые получили измельчением наночастиц оксида алюминия (Al2O3) и диоксида кремния (SiO2) в чистом гидрофторэфире с разными концентрациями.
Как оказалось, это прорывное ноу-хау позволит намного улучшить систему «солнечного» отопления. Ученые рассчитали оптимальный объем нанодобавок, наилучший режим работы этой экономичной и экологичной теплосистемы, когда тепло вырабатывается без сжигания нефти и газа, за счет энергии Солнца. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Thermal Science and Engineering Progress (Q1).
По словам Евгения Соломина, многие технологические процессы нефтеперерабатывающей, химической, атомной, холодильной, газовой отраслей промышленности были бы невозможны без использования теплообменников — технических устройств, передающих тепло от носителя до холодного объекта. Но для понимания их возможностей нужно четко определить ресурс теплопередачи. Раньше эту задачу решали аналитическими методами, а с появлением наножидкостей, таких как гидрофторэфиры, появилась возможность прогнозировать теплоотдачу, выстроив ее виртуальную модель.
«Мы выяснили, что средний перепад давления уменьшается примерно на 25 % при скольжении жидкости на стенке трубы, — пояснил Евгений Соломин. — Кроме того, при использовании трубы со скольжением внутри и добавкой оксида алюминия качество передачи тепла по сравнению с традиционной технологией улучшается примерно на 20 %. Таким образом, найден инновационный способ использования наножидкостей для проточной наносмазки трубопроводов в системах солнечных коллекторов. По нашим расчетам, КПД повышается более чем на 10 %».
По результатам исследований ученые подготовили рекомендации тепловикам по использованию разных типов наножидкостей и нанодобавок в теплообменниках. По мнению экспертов, они будут очень полезны для систем солнечных коллекторов, собирающих тепловую энергию, в проектах по солнечному нагреву и опреснению воды. Ученые намерены продолжать исследования, которые могут дать начало целому спектру гидро-газодинамических применений в самых разных отраслях. Подобные научные эксперименты они уже проводят совместно с итальянскими коллегами из Падуанского университета: изучают «течение» воздуха в роторах ветроэнергетических установок. А в коллаборации с малайзийским университетом южноуральские ученые сотрудничают в сфере исследования вентиляционного оборудования.
Идея виртуального тестирования наножидкостей для теплообменников принадлежит ученым ЮУрГУ, доктору технических наук, профессору кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Евгению Соломину и доктору Мухаммаду Язди. Они изучили тепловое влияние двух типов наножидкостей, которые получили измельчением наночастиц оксида алюминия (Al2O3) и диоксида кремния (SiO2) в чистом гидрофторэфире с разными концентрациями.
Как оказалось, это прорывное ноу-хау позволит намного улучшить систему «солнечного» отопления. Ученые рассчитали оптимальный объем нанодобавок, наилучший режим работы этой экономичной и экологичной теплосистемы, когда тепло вырабатывается без сжигания нефти и газа, за счет энергии Солнца. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Thermal Science and Engineering Progress (Q1).
По словам Евгения Соломина, многие технологические процессы нефтеперерабатывающей, химической, атомной, холодильной, газовой отраслей промышленности были бы невозможны без использования теплообменников — технических устройств, передающих тепло от носителя до холодного объекта. Но для понимания их возможностей нужно четко определить ресурс теплопередачи. Раньше эту задачу решали аналитическими методами, а с появлением наножидкостей, таких как гидрофторэфиры, появилась возможность прогнозировать теплоотдачу, выстроив ее виртуальную модель.
«Мы выяснили, что средний перепад давления уменьшается примерно на 25 % при скольжении жидкости на стенке трубы, — пояснил Евгений Соломин. — Кроме того, при использовании трубы со скольжением внутри и добавкой оксида алюминия качество передачи тепла по сравнению с традиционной технологией улучшается примерно на 20 %. Таким образом, найден инновационный способ использования наножидкостей для проточной наносмазки трубопроводов в системах солнечных коллекторов. По нашим расчетам, КПД повышается более чем на 10 %».
По результатам исследований ученые подготовили рекомендации тепловикам по использованию разных типов наножидкостей и нанодобавок в теплообменниках. По мнению экспертов, они будут очень полезны для систем солнечных коллекторов, собирающих тепловую энергию, в проектах по солнечному нагреву и опреснению воды. Ученые намерены продолжать исследования, которые могут дать начало целому спектру гидро-газодинамических применений в самых разных отраслях. Подобные научные эксперименты они уже проводят совместно с итальянскими коллегами из Падуанского университета: изучают «течение» воздуха в роторах ветроэнергетических установок. А в коллаборации с малайзийским университетом южноуральские ученые сотрудничают в сфере исследования вентиляционного оборудования.
Поделиться
