Развитие исследований графеновых наножидкостей в качестве теплоносителей в солнечных коллекторах прямого поглощения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В данной работе рассмотрен потенциал применения графеновой наножидкости в качестве теплоносителя в солнечных коллекторах прямого поглощения. В результате выявлено, что графеновая наножидкость обладает превосходной поглощающей способностью при взаимодействии с монохроматическим (520 нм) и инфракрасным излучением ближней области. Применение в качестве рабочей жидкости графеновой наножидкости по сравнению с дистиллированной водой в солнечном коллекторе прямого поглощения увеличило его эффективность даже при очень низкой концентрации частиц дисперсной фазы. Однако для того, чтобы применить графеновую наножидкость в энергетических системах в качестве рабочей жидкости, необходимо решить некоторые вопросы, в первую очередь связанные с ее невысокой стабильностью и термической неустойчивостью.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. Т. Чан

Московский энергетический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: tranqth.96@gmail.com
Россия, ул. Красноказарменная, 14, Москва, 111250

И. А. Михайлова

Московский энергетический институт

Email: tranqth.96@gmail.com
Россия, ул. Красноказарменная, 14, Москва, 111250

И. Н. Павлов

Московский энергетический институт

Email: tranqth.96@gmail.com
Россия, ул. Красноказарменная, 14, Москва, 111250

Э. И. Ибрагимова

Московский энергетический институт

Email: tranqth.96@gmail.com
Россия, ул. Красноказарменная, 14, Москва, 111250

Список литературы

  1. Sadeghi V., Baheri Islami S., Arsalani N. An experimental investigation of the effect of using non-Newtonian nanofluid-graphene oxide/aqueous solution of sodium carboxymethyl cellulose-on the performance of direct absorption solar collector // Scientia Iranica. 2020. V. 28. № 3. P. 1284–1297. https://doi.org/10.24200/SCI.2020.54994.4024
  2. Li Z., Kan A., Wang K., He Y., Zheng N., Yu W. Optical properties and photothermal conversion performances of graphene based nanofluids // Appl. Therm. Eng. 2022. V. 203. P. 117948. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117948
  3. Cui L., Zhang P., Xiao Y., Liang Y., Liang H., Cheng Z., Qu L. High rate production of clean water based on the combined photo-electro-thermal effect of graphene architecture // Adv. Mater. 2018. V. 30. № 22. P. 1706805. https://doi.org/10.1002/adma.201706805
  4. Dmitriev A.S. Hybrid graphene nanocomposites: Thermal interface materials and functional energy materials // Graphene Production and Appl. IntechOpen. 2019. http://doi.org/10.5772/intechopen.89631
  5. Elsaid K., Abdelkareem M.A., Maghrabie H.M., Sayed E.T., Wilberforce T., Baroutaji A., Olabi A.G. Thermophysical properties of graphene-based nanofluids // Int. J. Thermofluids. 2021. V. 10. P. 100073. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2021.100073
  6. Mei X., Sha X., Jing D., Ma L. Thermal conductivity and rheology of graphene oxide nanofluids and a modified predication model // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 7. P. 3567. https://doi.org/10.3390/app12073567
  7. Ali I., Pakharukov Y.V., Shabiev F.K., et al. Preparation of graphene based nanofluids: Rheology determination and theoretical analysis of the molecular interactions of graphene nanoparticles // J. Mol. Liq. 2023. V. 390. P. 122954. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122954
  8. Morozova M.A., Novopashin S.A. Influence of interfacial phenomena on viscosity and thermal conductivity of nanofluids // Int. J. Heat Mass Transf. 2019. V. 7. № 2. P. 151–165. https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2019031015
  9. Serebryakova M.A., Zaikovskii A.V., Sakhapov S.Z., et al. Thermal conductivity of nanofluids based on hollow γ-Al2O3 nanoparticles, and the influence of interfacial thermal resistance // Int. J. Heat Mass Transf. 2017. V. 108. 1314–1319. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.098
  10. Balaji T., Mohan Lal D., Selvam C. A critical review on the thermal transport characteristics of graphene-based nanofluids // 2023. Energies. V. 16. № 6. P. 2663. https://doi.org/10.3390/en16062663
  11. Chen L., Xu C., Liu J., Fang X., Zhang Z. Optical absorption property and photo-thermal conversion performance of graphene oxide/water nanofluids with excellent dispersion stability // Sol. Energy. 2017. V. 148. P. 17–24. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.03.073
  12. Otanicar T.P., Phelan P.E., Prasher R.S., Rosengarten G., Taylor R.A. Nanofluid-based direct absorption solar collector // J. Renew. Sustainable Energy. 2010. V. 2. № 3. P. 033102. https://doi.org/10.1063/1.3429737
  13. Parvin S., Nasrin R., Alim M.A. Heat transfer and entropy generation through nanofluid filled direct absorption solar collector // Int. J. Heat Mass Transf. 2014. V. 71. P. 386–395. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.12.043
  14. Khalil A., Amjad M., Noor F., et al. Performance analysis of direct absorption-based parabolic trough solar collector using hybrid nanofluids // J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2020. V. 42. P. 573. https://doi.org/10.1007/s40430-020-02654-2
  15. Zeiny A., Jin H., Bai L., Lin G., Wen D. A comparative study of direct absorption nanofluids for solar thermal applications // Sol. Energy. 2018. Vol. 161. P. 74–82. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.12.037
  16. Zheng N., Yan F., Wang L., Sun Z. Photo‐thermal conversion performance of mono MWCNT and hybrid MWCNT‐TiN nanofluids in direct absorption solar collectors // Int. J. Energy Res. 2022. V. 46. № 6. P. 8313–8327. https://doi.org/10.1002/er.7730
  17. Li Z., Kan A., Wang K., et al. Optical properties and photothermal conversion performances of graphene based nanofluids // Appl. Therm. Eng. 2021. V. 203. P. 117948. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117948
  18. Tran Q.T., Mikhailova I.A., Mikhailov V.V., Makarov P.G. Influence of the spectral composition of solar radiation on the heating and evaporation processes of graphene nanofluids // Sol. Energy. 2024. V. 282. P. 112977. https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112977
  19. Sadeghinezhad E., Togun H., Mehrali M., Sadeghi Nejad P., Tahan Latibari S., Abdulrazzaq T., et al. An experimental and numerical investigation of heat transfer enhancement for graphene nanoplatelets nanofluids in turbulent flow conditions // Int. J. Heat Mass Transf. 2015. V. 81. P. 41–51. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.10.006
  20. Ghozatloo A., Rashidi A., Shariaty-Niassar M. Convective heat transfer enhancement of graphene nanofluids in shell and tube heat exchanger // Exp. Therm. Fluid Sci. 2014. V. 53. P. 136–141. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.11.018
  21. Дмитриев А.С., Клименко А.В. Преобразование солнечного излучения в пар – новые возможности на основе наноматериалов // Теплоэнергетика. 2020. № 2. C. 3–19. https://doi.org/10.1134/S0040363620020010
  22. Дмитриев А.С., Клименко А.В. Перспективы использования двумерных наноматериалов в энергетических технологиях // Теплоэнергетика. 2023. № 8. C. 3–26. https://doi.org/10.56304/S0040363623080015
  23. Nguyen T.T., Nguyen V.P., Phan H.K., et al. Carbon nanomaterial-based nanofluids for direct thermal solar absorption // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 6. P. 1199. https://doi.org/10.3390/nano10061199
  24. Заварицкая Т.Н., Мельник Н.Н., Пудонин Ф.А., Шерстнев И.А. Многослойная графеновая структура углерода в короткопериодных сверхрешетках / // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 103. № 5. С. 385–388. https://doi.org/10.7868/S0370274X16050106
  25. Цветков Ф.Ф. Задачник по тепломассообмену: учебное пособие / Ф.Ф. Цветков, Р.В. Керимов, В.И. Величко. 2-е изд., исправ. и доп. М.: Издательский дом МЭИ. 2008. 196 с., ил.
  26. Chan K.T., Dmitriev A.S., Mikhailova I.A., Makarov P.G. Study of heating and evaporation of rotating graphene nanofluid under the influence of solar radiation // Therm. Eng. 2024. V. 71. P. 452–464. https://doi.org/10.1134/S0040601524050045
  27. Фальковский Л.А. Оптические свойства графена и полупроводников типа A4B6 // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. № 9. С. 923–934. https://doi.org/10.3367/UFNr.0178.200809b.0923

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1

Скачать (308KB)
Метаданные
3. Рис. 1. СЭМ-фотография графеновых хлопьев.

Скачать (539KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Спектр КРС образцов графеновых хлопьев и их сравнение со спектрами КРС графита и однослойного графена (а). Область частот второго порядка спектров (б).

Скачать (228KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Снимок АСМ (а) и профиль высоты (б) графеновых хлопьев.

Скачать (185KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Зависимость спектров пропускания (a) и интегрального коэффициента экстинкции GNF при разных массовых концентрациях (б).

Скачать (162KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия GNF с монохроматическими излучениями: 1 – емкость для размещения наножидкостей; 2 – источник излучения; 3 – термопары; 4 – измеритель-регулятор ТРМ138; 5 – датчик температуры и влажности воздуха; 6 – преобразователь АС4-М; 7 – компьютер.

Скачать (60KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Схема установки с солнечным коллектором прямого поглощения (а). Поперечное сечение солнечного коллектора прямого поглощения (б): 1 – Солнечный коллектор прямого поглощения; 2 – термопары; 3 – датчики давления; 4 – расходомер; 5 – циркуляционный насос; 6 – емкости хранения жидкости; 7 – вентиль; 8 – регулятор-измеритель ТРМ-138; 9 – сенсор ОВЕН ПВТ10; 10 – преобразователь АС4-М; 11 – компьютер; 12 – стеклянная трубка; 13 – теплоизоляционная плита из экструдированного пенополистирола; 14 – прозрачное защитное покрытие.

Скачать (257KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Влияние монохроматического излучения на процесс нагрева GNF при прямом взаимодействии (сплошные линии относятся к GNF, точечные линии – дистиллированной воде, цвет отображает длину волны, с которой взаимодействует GNF: голубой – 450 нм, зеленый – 520 нм, красный – 638 нм, черный – 808 нм).

Скачать (164KB)
Метаданные
10. Рис. 8. Распределение температуры по глубине столба GNF в области вблизи линии прохождения лазера с длиной волны 520 нм (а) и 808 нм (б).

Скачать (144KB)
Метаданные
11. Рис. 9. Экспериментальные результаты измерения процесса нагрева GNF в DASC под действием солнечного излучения.

Скачать (481KB)
Метаданные
12. Рис. 10. Влияние концентрации графеновых хлопьев на эффективность DASC (а). Прилипание графеновых хлопьев к стенкам силиконовой и стеклянных трубок (б).

Скачать (205KB)
Метаданные
13. Рис. 11. Влияние процесса нагрева на коэффициент пропускания GNF 0.1%: 1 – без термической обработки; 2 – после длительной термической обработки. Изменение структуры графеновых хлопьев под воздействием термической и механической обработки (б).

Скачать (154KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025