Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования
На основании полученных данных и краткого литературного обзора рассмотрена принципиальная возможность использования наножидкостей для экстренного охлаждения аварийно перегретого энергетического оборудования. С этой целью методом синхронной записи изменения основных параметров теплообмена при кипении...
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут газу НАН України
2016
|
| Series: | Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159152 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования / В.Н. Морару // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2016. — № 4. — С. 14-23. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-159152 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1591522019-09-25T01:25:55Z Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования Морару, В.Н. Теплофизические основы энергетических процессов На основании полученных данных и краткого литературного обзора рассмотрена принципиальная возможность использования наножидкостей для экстренного охлаждения аварийно перегретого энергетического оборудования. С этой целью методом синхронной записи изменения основных параметров теплообмена при кипении воды во времени в условиях постоянной скорости подъема удельной тепловой нагрузки изучена возможность экстренного охлаждения перегретой поверхности теплообмена с помощью наножидкостей в случае возникновения кризиса кипения. На підставі отриманих даних та короткого літературного огляду розглянуто принципову можливість використання нанорідин для екстреного охолодження аварійно перегрітого енергетичного устаткування. З цією метою методом синхронного запису зміни основних параметрів теплообміну при кипінні води у часі в умовах постійної швидкості підвищення питомого теплового навантаження вивчено можливість екстреного охолодження перегрітої поверхні теплообміну за допомогою нанорідин у разі виникнення кризи кипіння. Based on these data and a brief literature review we have examined the principled possibility of using nanofluids for emergency cooling of high-energy equipment. With that end in view, the possibility of emergency cooling of an overheated heat transfer surface using nanofluids in the case of a boiling crisis is explored by means of synchronous recording of changes of main heat transfer parameters of boiling water over time. 2016 Article Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования / В.Н. Морару // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2016. — № 4. — С. 14-23. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0235-3482 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159152 502.5:661.21 ru Энерготехнологии и ресурсосбережение Інститут газу НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теплофизические основы энергетических процессов Теплофизические основы энергетических процессов |
| spellingShingle |
Теплофизические основы энергетических процессов Теплофизические основы энергетических процессов Морару, В.Н. Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| description |
На основании полученных данных и краткого литературного обзора рассмотрена принципиальная возможность использования наножидкостей для экстренного охлаждения аварийно перегретого энергетического оборудования. С этой целью методом синхронной записи изменения основных параметров теплообмена при кипении воды во времени в условиях постоянной скорости подъема удельной тепловой нагрузки изучена возможность экстренного охлаждения перегретой поверхности теплообмена с помощью наножидкостей в случае возникновения кризиса кипения. |
| format |
Article |
| author |
Морару, В.Н. |
| author_facet |
Морару, В.Н. |
| author_sort |
Морару, В.Н. |
| title |
Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования |
| title_short |
Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования |
| title_full |
Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования |
| title_fullStr |
Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования |
| title_full_unstemmed |
Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования |
| title_sort |
применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования |
| publisher |
Інститут газу НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Теплофизические основы энергетических процессов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159152 |
| citation_txt |
Применение наножидкостей для экстренного аварийного охлаждения энергетического оборудования / В.Н. Морару // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2016. — № 4. — С. 14-23. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| series |
Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| work_keys_str_mv |
AT moraruvn primenenienanožidkostejdlâékstrennogoavarijnogoohlaždeniâénergetičeskogooborudovaniâ |
| first_indexed |
2025-07-14T11:43:30Z |
| last_indexed |
2025-07-14T11:43:30Z |
| _version_ |
1837622531457024000 |
| fulltext |
Èíòåíñèôèêàöèÿ ïðîöåññîâ òåïëîîáìåíà —
îäíà èç âàæíåéøèõ ïðîáëåì ñîâðåìåííîé ïðî-
ìûøëåííîñòè è ýíåðãåòèêè (ÿäåðíàÿ òåõíèêà,
ðàêåòîñòðîåíèå, ýëåêòðîíèêà, ëàçåðíûå èçëó÷à-
òåëè è äð.). Âî âñåõ ìàøèíàõ, îáîðóäîâàíèè è
òåõíîëîãèÿõ â ýòèõ îòðàñëÿõ âîçíèêàåò ïîòðåá-
íîñòü èíòåíñèâíîãî îòâåäåíèÿ òåïëà. Îäíèì èç
ñïîñîáîâ ðåøåíèÿ äàííîé ïðîáëåìû ÿâëÿåòñÿ
èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå òåïëîíîñèòåëåé íàíî-
æèäêîñòåé (ÍÆ), ñïîñîáíûõ ðàáîòàòü ïðè âû-
ñîêèõ óäåëüíûõ òåïëîâûõ ïîòîêàõ. Öåëåñîîá-
ðàçíîñòü ñîçäàíèÿ è èññëåäîâàíèÿ ÍÆ îáúÿñ-
íÿåòñÿ ñóùåñòâåííûì ïîâûøåíèåì (â 2–3 ðàçà)
êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è è êðèòè÷åñêîãî òåï-
ëîâîãî ïîòîêà ïðè èõ êèïåíèè ïî ñðàâíåíèþ ñ
áàçîâîé æèäêîñòüþ (âîäîé). Ïîýòîìó íå ñëó-
14 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4
� Ìîðàðó Â.Í., 2016
Òåïëîôèçè÷åñêèå îñíîâû
ýíåðãåòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ
ÓÄÊ 502.5:661.21
Ìîðàðó Â.Í., êàíä. õèì. íàóê
Èíñòèòóò ãàçà ÍÀÍ Óêðàèíû, Êèåâ
óë. Äåãòÿðåâñêàÿ, 39, 03113 Êèåâ, Óêðàèíà, e-mail: vasily.moraru@gmail.com
Ïðèìåíåíèå íàíîæèäêîñòåé äëÿ ýêñòðåííîãî àâàðèéíîãî
îõëàæäåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ
Íà îñíîâàíèè ïîëó÷åííûõ äàííûõ è êðàòêîãî ëèòåðàòóðíîãî îáçîðà ðàññìîòðåíà
ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ íàíîæèäêîñòåé äëÿ ýêñòðåííîãî îõëàæ-
äåíèÿ àâàðèéíî ïåðåãðåòîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ. Ñ ýòîé öåëüþ ìåòîäîì
ñèíõðîííîé çàïèñè èçìåíåíèÿ îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ òåïëîîáìåíà ïðè êèïåíèè âîäû
âî âðåìåíè â óñëîâèÿõ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè ïîäúåìà óäåëüíîé òåïëîâîé íàãðóçêè
èçó÷åíà âîçìîæíîñòü ýêñòðåííîãî îõëàæäåíèÿ ïåðåãðåòîé ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà ñ
ïîìîùüþ íàíîæèäêîñòåé â ñëó÷àå âîçíèêíîâåíèÿ êðèçèñà êèïåíèÿ. Èñïûòàíèþ ïîä-
âåðãíóòû äâå íàíîæèäêîñòè, ïîëó÷åííûå íà îñíîâå ïðèðîäíîé ñìåñè àëþìîñèëèêàòîâ
(AlSi-7) è äèîêñèäà òèòàíà (ÍÆ-8). Îáíàðóæåíî, ÷òî ââåäåíèå íåçíà÷èòåëüíîé ïîð-
öèè íàíîæèäêîñòè â êèïÿùèé òåïëîíîñèòåëü (äèñòèëëèðîâàííóþ âîäó), íàõîäÿùèéñÿ
â ñîñòîÿíèè ïëåíî÷íîãî êèïåíèÿ (theater > 500 �C), ïîçâîëÿåò ðåçêî ñíèçèòü òåìïåðà-
òóðó ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà äî 130–150 �C, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ïåðåõîäó ê áåçîïàñ-
íîìó ïóçûðüêîâîìó ðåæèìó êèïåíèÿ áåç ñíèæåíèÿ óäåëüíîãî òåïëîâîãî ïîòîêà. Ïðè
ýòîì âåñüìà âàæíûì ÿâëÿåòñÿ òîò ôàêò, ÷òî äàííûé ðåæèì ñîõðàíÿåòñÿ äîñòàòî÷íî
äîëãî ïðè óäåëüíîé òåïëîâîé íàãðóçêå, ïðåâûøàþùåé çíà÷åíèå êðèòè÷åñêîãî òåïëîâî-
ãî ïîòîêà äëÿ âîäû, è theater = 125–130 �Ñ. Ýòî ïîçâîëÿåò ýêñòðåííî ïðåäîòâðàòèòü
ïîòåíöèàëüíóþ àâàðèþ (ïåðåæîã íàãðåâàòåëÿ è âûõîä èç ñòðîÿ òåïëîîáìåííèêà) è
îáåñïå÷èòü áåñïåðåáîéíóþ ðàáîòó îáîðóäîâàíèÿ. Ïîêàçàíî, ÷òî îõëàæäåíèå ýíåðãîíà-
ãðóæåííîãî îáîðóäîâàíèÿ ñ ïîìîùüþ àëþìîñèëèêàòíûõ íàíîæèäêîñòåé ÿâëÿåòñÿ
âïîëíå ðåàëüíûì è ýêîíîìè÷åñêè âûãîäíûì ïðîöåññîì. Áèáë. 22, ðèñ. 4, òàáë. 1.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: íàíîæèäêîñòè, òåïëîîáìåí, ýêñòðåííîå îõëàæäåíèå, ïîâåðõíîñòü íà-
ãðåâà, îòëîæåíèÿ.
÷àéíî â ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ çíà÷èòåëüíîå
âíèìàíèå â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå óäåëÿåòñÿ äèñ-
ïåðñèÿì íàíî÷àñòèö â òðàäèöèîííûõ áàçîâûõ
æèäêîñòÿõ (âîäà, ýòèëåíãëèêîëü (ÝÃ)), êîòî-
ðûå è ïîëó÷èëè íàçâàíèå «íàíîæèäêîñòè».
Íàíîæèäêîñòè — íîâûé êëàññ òåïëîíîñè-
òåëåé, îáëàäàþùèõ ïîâûøåííîé òåïëîïðîâîä-
íîñòüþ è àíîìàëüíî âûñîêîé òåïëîîòäà÷åé ïðè
êèïåíèè, áëàãîäàðÿ ÷åìó ýòè ìàòåðèàëû ÷ðåç-
âû÷àéíî ïåðñïåêòèâíû äëÿ îõëàæäåíèÿ âûñîêî-
ýíåðãåòè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ (ÿäåðíûõ ðåàêòî-
ðîâ, ëàçåðîâ, ýëåêòðîíèêè è äð). Ïðèìå÷àòåëü-
íàÿ îñîáåííîñòü ÍÆ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî â
ïðîöåññå èõ êèïåíèÿ íà ïîâåðõíîñòè íàãðåâà
ïðîèñõîäèò ñàìîïðîèçâîëüíîå îáðàçîâàíèå íàíî-
ñòðóêòóð ðàçëè÷íîé àðõèòåêòóðû, ïîðèñòîñòè è
øåðîõîâàòîñòè, ïîñòðîåííûõ èç íàíî÷àñòèö
(Í×), ÷òî âûçûâàåò ðåçêóþ èíòåíñèôèêàöèþ
òåïëîîáìåíà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Íàïðèìåð,
óäåëüíûé òåïëîâîé ïîòîê (ÓÒÏ) ïðè êèïåíèè
âîäíîé ÍÆ ìîæåò âîçðàñòè íà 300–400 % ïî
ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íîé âîäîé è äîñòè÷ü âåëè÷èíû
qmax = (3–4).106 Âò/ì2, à êîýôôèöèåíò òåïëî-
îòäà÷è � ìîæåò ïðåâûñèòü 50000 Âò/(ì2.K)
[1–7]. Áîëåå òîãî, íàìè îáíàðóæåíî, ÷òî ôîð-
ìèðóþùèéñÿ ïîðèñòûé ñëîé íà ïîâåðõíîñòè íà-
ãðåâà ñïîñîáåí îòîäâèíóòü èëè èçáåæàòü ôåíî-
ìåíà êðèçèñà êèïåíèÿ, êîòîðûé ÷ðåâàò ïåðåæî-
ãîì è âûõîäîì èç ñòðîÿ îáîðóäîâàíèÿ [2].
Ñ öåëüþ ïðåîäîëåíèÿ êðèçèñà òåïëîîòäà÷è
ïðåäëîæåíû ñïîñîáû è ñðåäñòâà òóðáóëèçàöèè
æèäêîñòè çà ñ÷åò çàêðó÷èâàíèÿ èëè òóðáóëè-
çóþùèõ âñòàâîê, ðàçðàáîòàíû ìåòîäû ñ èñïîëü-
çîâàíèåì òåïëîïðîâîäíûõ ðåáåð, êàïèëëÿðíî-
ïîðèñòûõ ñòðóêòóð, ïîâåðõíîñòåé ñî ñïåöèàëü-
íîé øåðîõîâàòîñòüþ è äð. [8–11]. Êàê ïîêàçà-
ëè íàøè èññëåäîâàíèÿ [1–7], èñïîëüçîâàíèå
ÍÆ â êà÷åñòâå òåïëîíîñèòåëåé ïîçâîëÿåò ïðî-
ùå ðàçðåøèòü ýòó ïðîáëåìó è ðåçêî ïîâûñèòü
êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è (ÊÒÎ), èçáåãàÿ ïðè
ýòîì ôåíîìåíà êðèçèñà òåïëîîòäà÷è è âíåçàïíî-
ñòè åãî íàñòóïëåíèÿ.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ âî âñåì ìèðå âåäóòñÿ
èíòåíñèâíûå èññëåäîâàíèÿ ïî èñïîëüçîâàíèþ
íàíîæèäêîñòåé â ýíåðãåòèêå, â ÷àñòíîñòè, äëÿ
îõëàæäåíèÿ ñèëîâûõ òðàíñôîðìàòîðîâ, äâèãà-
òåëåé âíóòðåííåãî ñãîðàíèÿ, îõëàæäåíèÿ ìîù-
íûõ ñåðâåðîâ è ò. ï. [12–16].
 ñòàòüå [12] ïðèâåäåí îáñòîÿòåëüíûé îá-
çîð ëèòåðàòóðû ïî âîïðîñàì ïðèìåíåíèÿ íàíî-
æèäêîñòåé â àâòîìîáèëüíîì ñåêòîðå. Èññëåäî-
âàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî çàìåíà îáû÷íûõ îõëàæ-
äàþùèõ æèäêîñòåé íà ÍÆ ïåðñïåêòèâíî äëÿ
ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ àâòîìîáèëüíîãî ðàäèàòî-
ðà. Îñíîâíûìè ôàêòîðàìè, êîòîðûå ïðåïÿòñò-
âóþò êîììåðöèàëèçàöèè ÍÆ, ÿâëÿþòñÿ íåäî-
ñòàòî÷íàÿ ñòàáèëüíîñòü ÍÆ è èõ âûñîêàÿ ñå-
áåñòîèìîñòü. Ïîñëå ðåøåíèÿ ýòèõ ïðîáëåì
îæèäàåòñÿ, ÷òî ÍÆ áóäóò øèðîêî ïðèìåíÿòü-
ñÿ â êà÷åñòâå òåïëîíîñèòåëåé â òåïëîîáìåííûõ
óñòðîéñòâàõ.
 ðàáîòå [13] èññëåäîâàí ýôôåêò îò äîáàâ-
ëåíèÿ 0–1,0 % (îá.) íàíî÷àñòèö Al2O3 â áàçî-
âóþ æèäêîñòü (ýòèëåíãëèêîëü + âîäà) äëÿ àâ-
òîìîáèëüíîãî ðàäèàòîðà. Ñ ýòîé öåëüþ áûëà
ðàçðàáîòàíà ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà, íà
êîòîðîé èçó÷åíû ýôôåêòû âëèÿíèÿ òåìïåðàòó-
ðû æèäêîñòè, ñêîðîñòè ïîòîêà è îáúåìíîé äî-
ëè íàíî÷àñòèö íà òåïëîîáìåí. Ðåçóëüòàòû ïî-
êàçàëè, ÷òî ÷èñëî Íóññåëüòà, îáùàÿ ýôôåêòèâ-
íîñòü è êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è âîçðàñòà-
þò ñ óâåëè÷åíèåì îáúåìíîé äîëè íàíî÷àñòèö,
÷èñëà Ðåéíîëüäñà è ìàññîâîãî ðàñõîäà õëàä-
àãåíòà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ðàäèàòîð. Ïðè äî-
áàâëåíèè 1 % (îá.) ÷àñòèö Al2O3 ýôôåêòèâ-
íîñòü îõëàæäåíèÿ ðàäèàòîðà âîçðîñëà íà 40 %
ïî ñðàâíåíèþ ñ èñõîäíîé áàçîâîé æèäêîñòüþ
ïðè ïîñòîÿííîì ÷èñëå Ðåéíîëüäñà è ïîñòîÿí-
íîé ñêîðîñòè ìàññîâîãî ðàñõîäà.
 ðàáîòå [14] èçó÷åíà èíòåíñèâíîñòü êîí-
âåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà ïðè èñïîëüçîâàíèè íà-
íîôëþèäà íà îñíîâå óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê
(ÓÍT) — âîäà â àâòîìîáèëüíîì ðàäèàòîðå.
Ýêñïåðèìåíòàëüíî ðàññìîòðåíû êîëè÷åñòâåííûå
ýôôåêòû òàêèõ ïàðàìåòðîâ: ìåòîäà ñèíòåçà è
âàðèàöèè â çíà÷åíèÿõ ðÍ, êîíöåíòðàöèè íàíî-
÷àñòèö, ÷èñëà Íóññåëüòà. Äëÿ êîíöåíòðàöèè íà-
íî÷àñòèö 1,0 % (îá.) è ñêîðîñòè ïîòîêà îõëàæ-
äàþùåé æèäêîñòè 5 ë/ìèí ìàêñèìàëüíîå ïî-
âûøåíèå òåïëîîòäà÷è ÓÍT — íàíîôëþèäà íà
90,76 % âûøå ïî ñðàâíåíèþ ñ âîäîé. Ýòî ìîæåò
áûòü ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî óãëåðîäíûå íàíîòðóá-
êè îáëàäàþò áîëåå âûñîêèìè òåïëîïðîâîäíî-
ñòüþ, àíèçîìåòðèåé è óäåëüíîé ïîâåðõíîñòüþ
Sóä, à òàêæå ìåíüøèìè òåðìè÷åñêèì ñîïðîòèâ-
ëåíèåì è óäåëüíûì âåñîì ïî ñðàâíåíèþ ñ âî-
äîé. Ýôôåêòèâíàÿ òåïëîïðîâîäíîñòü âîäíûõ
ÓÍT — õëàäàãåíòîâ è ÷èñëî Íóññåëüòà òàêæå
âîçðàñòàþò ñ óâåëè÷åíèåì êîíöåíòðàöèè íàíî-
÷àñòèö è ñêîðîñòè ïîòîêà, ÷òî ïðèâîäèò ê ðîñ-
òó ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ àâòîìîáèëüíî-
ãî ðàäèàòîðà.
 ðàáîòå [15] ïðîàíàëèçèðîâàíà ðàáîòà èí-
íîâàöèîííîé ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ äëÿ âåòðÿ-
íûõ òóðáèí ñ èñïîëüçîâàíèåì ÍÆ íà îñíîâå
5 %-é âîäíîé äèñïåðñèè Al2O3 êàê òåïëîíîñèòå-
ëÿ. Äîêàçàíî, ÷òî ÍÆ èç-çà èõ âûñîêîãî êîýô-
ôèöèåíòà êîíâåêòèâíîé òåïëîïåðåäà÷è óëó÷øà-
þò ýôôåêòèâíîñòü ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ. Ïðè
ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ èñïîëüçîâàíèå ÍÆ ïî-
âûñèëî ýôôåêòèâíîñòü ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ
ìàêñèìóì äî 30 %, â çàâèñèìîñòè îò ñêîðîñòè
ïîòîêà è êîíöåíòðàöèè ÷àñòèö.
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4 15
Îäíàêî èç-çà ñëîæíîñòè è ìíîãîôàêòîðíî-
ñòè íàíîäèñïåðñíûõ ñèñòåì äî ñèõ ïîð åùå íå
ñôîðìóëèðîâàí ñîñòàâ íàíîæèäêîñòè, êîòîðûé
îòâå÷àë áû âñåì òåõíè÷åñêèì òðåáîâàíèÿì (òåð-
ìîñòîéêîñòü Í×, âûñîêèå êîýôôèöèåíòû òåïëî-
ïåðåíîñà, äëèòåëüíîå ñîõðàíåíèå ñòàáèëüíîñòè
è íèçêàÿ âÿçêîñòü). Íà îñíîâå ñèñòåìíîãî èí-
æåíåðíîãî ïîäõîäà ê ÍÆ äëÿ ïåðåäà÷è òåïëà â
ðàáîòå [16] ñäåëàíà ïîïûòêà âûÿâèòü îñíîâíûå
èíæåíåðíûå ïàðàìåòðû ÍÆ è êîëè÷åñòâåííûå
êðèòåðèè ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ íà îñíîâå
òàêîâûõ äëÿ îäíîôàçíûõ æèäêîñòåé. Äàííûé
ïîäõîä âêëþ÷àåò íåñêîëüêî ýòàïîâ. Ïåðâûé —
îöåíêà âàæíîñòè òåïëîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ÍÆ
äëÿ ïåðåäà÷è òåïëà. Ïîýòîìó èíæåíåðíûå ïàðà-
ìåòðû íàíîäèñïåðñèé ðàññìàòðèâàþòñÿ â ñâÿçè
ñ èõ âëèÿíèåì íà òåïëîâûå ñâîéñòâà ñóñïåíçèé
íàíî÷àñòèö. Òåïëîïðîâîäíîñòü òåïëîíîñèòåëÿ
îáùåïðèçíàíà êàê ãëàâíûé ôàêòîð, âëèÿþùèé
íà ýôôåêòèâíîñòü òåïëîïåðåäà÷è. Íà âòîðîì
ýòàïå ñ ïîìîùüþ ñèñòåìíîãî èíæåíåðíîãî ïîä-
õîäà îáîáùåíû è ïðîàíàëèçèðîâàíû îñíîâíûå
ôèçèêî-õèìè÷åñêèå êîððåëÿöèè, ÷òî ïîçâîëèëî
âûÿâèòü íàèáîëåå âëèÿòåëüíûå ïàðàìåòðû íà-
íîäèñïåðñèé. Â [16] ñäåëàí âûâîä, ÷òî êîíöåí-
òðàöèÿ íàíî÷àñòèö, áàçîâàÿ æèäêîñòü, à òàêæå
ðàçìåð ÷àñòèö, ïî âñåé âèäèìîñòè, íàèáîëåå
âëèÿòåëüíûå ïàðàìåòðû äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåê-
òèâíîñòè òåïëîïåðåäà÷è â íàíîäèñïåðñèÿõ.
Òåì íå ìåíåå, ïðåäëîæåííûé èíæåíåðíûé
ïîäõîä ìàëî ÷òî äàåò äëÿ êîëè÷åñòâåííîé îöåí-
êè ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ íàíîæèäêîñòÿ-
ìè, òàê ÷òî ýòîò âîïðîñ îñòàåòñÿ ïî-ïðåæíåìó
àêòóàëüíûì. Ïî íàøåìó ìíåíèþ, ïîìèìî òåï-
ëîïðîâîäíîñòè è ïåðå÷èñëåííûõ âûøå ïîêàçà-
òåëåé, íàèáîëåå âàæíûìè ðàáî÷èìè ïàðàìåòðà-
ìè ÍÆ ÿâëÿþòñÿ àíèçîìåòðèÿ ôîðìû íàíî÷àñ-
òèö è ñòàáèëüíîñòü ÍÆ ê äëèòåëüíîìó è ìíî-
ãîêðàòíîìó êèïåíèþ-îõëàæäåíèþ.
Íå óìàëÿÿ çíà÷èìîñòè ðåçóëüòàòîâ ïðèâå-
äåííûõ ðàáîò, ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî âàæíåéøåé
îáëàñòüþ ïðèìåíåíèÿ íàíîæèäêîñòåé âñå æå
îñòàåòñÿ îõëàæäåíèå ÿäåðíûõ ñèñòåì, è èíòåðåñ
ê ýòîìó íàïðàâëåíèþ ïðîäîëæàåò íàðàñòàòü
[17–19]. Äëÿ àòîìíîé ýíåðãåòèêè íàèáîëåå ïåð-
ñïåêòèâíûì ìîæåò ñ÷èòàòüñÿ âîäíûé íàíîòåï-
ëîíîñèòåëü, ïîòîìó ÷òî äîáàâêè íàíî÷àñòèö ïî-
çâîëÿþò ñóùåñòâåííî óëó÷øàòü åãî òåïëîôèçè-
÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè. ÍÆ ÿâëÿþòñÿ ïîòåíöè-
àëüíûìè õëàäàãåíòàìè äëÿ IVR-ECCSs- è
PWRs-ðåàêòîðîâ ñ öåëüþ ïîâûøåíèÿ ìîùíîñòè
è ïîêàçàòåëåé èõ áåçîïàñíîñòè [17]. Áëàãîäàðÿ
òîìó, ÷òî íàíîæèäêîñòè èìåþò ïîâûøåííûå êî-
ýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè è âåëè÷èíó êðèòè-
÷åñêîãî òåïëîâîãî ïîòîêà (ÊÒÏ), èõ èñïîëüçîâà-
íèå ïîçâîëÿåò óâåëè÷èòü DNBR (çàïàñ äî êðèçè-
ñà òåïëîîáìåíà ïðè êèïåíèè). Ýòî ïðèíöèïèàëü-
íî âàæíî äëÿ ïðîåêòàíòîâ, òàê êàê ýòîò ïîêàçà-
òåëü íåðåäêî ñëóæèò îãðàíè÷èâàþùèì ôàêòîðîì
ïðè âûáîðå ïàðàìåòðîâ òåïëîíîñèòåëÿ.
Çà ïîñëåäíèå ãîäû â Èíñòèòóòå ãàçà ÍÀÍ
Óêðàèíû ïîä ðóêîâîäñòâîì àêàäåìèêà Áîíäà-
ðåíêî Á.È. ðàçðàáîòàíà ñåðèÿ âûñîêîýôôåêòèâ-
íûõ ÍÆ äëÿ ýíåðãåòèêè è ïðîâåäåíû èõ ôèçè-
êî-õèìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ è òåïëîòåõíè÷å-
ñêèå èñïûòàíèÿ [1–7, 20]. Íîâûå ÍÆ îáëà-
äàþò ïîâûøåííûìè òåïëîâûìè ïàðàìåòðàìè è
â òî æå âðåìÿ óñòîé÷èâû ê âîçäåéñòâèþ ðàäèà-
öèè è ìíîãîêðàòíûõ öèêëîâ êèïåíèÿ-îõëàæäå-
íèÿ. Ýòèì òðåáîâàíèÿì ïîëíîñòüþ óäîâëåòâîðÿ-
þò ãèäðîôèëüíûå ÍÆ íà îñíîâå ïðèðîäíûõ
àëþìîñèëèêàòîâ ñ ðàçëè÷íîé ìîðôîëîãèåé Í×.
Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ
óäåëüíîãî òåïëîâîãî ïîòîêà è êîýôôèöèåíòà òåï-
ëîîòäà÷è äåìîíñòðèðóþò òå ÍÆ, êîòîðûå ñîñòîÿò
èç ñìåñåé Í× àíèçîìåòðè÷íîé ôîðìû è îáðàçóþò
íà êèïÿùåé ïîâåðõíîñòè àæóðíûå íàíîñòðóêòóðû
ñ íàèáîëåå ðàçâèòîé ïîâåðõíîñòüþ, ïîðèñòîñòüþ
è øåðîõîâàòîñòüþ. Âåðîÿòíåå âñåãî, âûñîêàÿ òåï-
ëîîòäà÷à â ýòîì ñëó÷àå îáúÿñíÿåòñÿ ìàêñèìàëü-
íîé ïëîòíîñòüþ öåíòðîâ ïàðîîáðàçîâàíèÿ è ïëî-
ùàäüþ òåïëîîáìåíà â ýòèõ ñôîðìèðîâàííûõ ïî-
âåðõíîñòíûõ íàíîñòðóêòóðàõ.
Íà 2017–2018 ãã. Èíñòèòóòîì ãàçà ÍÀÍ
Óêðàèíû ñîâìåñòíî ñ îäíèì èç ïðåäïðèÿòèé
ÍÀÝÊ «Ýíåðãîàòîì» íàìå÷åíû èññëåäîâàíèÿ
ïî âûÿñíåíèþ âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ ÍÆ
äëÿ ïîâûøåíèÿ áåçîïàñíîñòè ðàáîòû ÀÝÑ. Ïî-
äîáíûå ðàáîòû âåäóòñÿ â ÑØÀ è Þæíîé Êî-
ðåå, âñåìèðíî èçâåñòíàÿ ôðàíöóçñêàÿ ðåàêòîðî-
ñòðîèòåëüíàÿ ôèðìà «Areva S.A.» ñ 2008 ã. ïà-
òåíòóåò ðàçëè÷íûå ñïîñîáû ïðèìåíåíèÿ ÍÆ â
îõëàæäàþùèõ êîíòóðàõ ÿäåðíûõ óñòàíîâîê. Â
Åâðîñîþçå íà÷àòû èññëåäîâàíèÿ ïî ïðèìåíåíèþ
ÍÆ íà òðàíñïîðòå, â ñîëíå÷íûõ óñòàíîâêàõ, â
òåïëîíàñîñàõ, â õèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè
(îõëàæäåíèå ðåàêòîðîâ ñèíòåçà Ôèøåðà-Òðîï-
øà) è äð.
Òàêèì îáðàçîì, ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîä-
òâåðæäåíèå ïðèíöèïèàëüíîé âîçìîæíîñòè èñ-
ïîëüçîâàíèÿ ÍÆ â ýíåðãåòèêå è ñìåæíûõ îò-
ðàñëÿõ ÿâëÿåòñÿ îñîáåííî âàæíûì äëÿ ðàçâåð-
òûâàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ôóíäàìåíòàëüíûõ
è ïðèêëàäíûõ èññëåäîâàíèé ïî ïðàêòè÷åñêî-
ìó âíåäðåíèþ ÍÆ, ÷åìó è ïîñâÿùåíà äàííàÿ
ðàáîòà.
Îáúåêòû è ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ
Ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ, íàñêîëüêî ýôôåê-
òèâíûì îêàæåòñÿ ïðèìåíåíèå ðàçðàáîòàííûõ
íàìè ÍÆ äëÿ ýêñòðåííîãî îõëàæäåíèÿ ïåðåãðå-
òîé ïîâåðõíîñòè ïîòåíöèàëüíîãî ðåàêòîðà â
16 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4
ñëó÷àå âîçíèêíîâåíèÿ àâàðèéíîé ñèòóàöèè. Â
îòëè÷èå îò ðàáîò [12–17] â íàøåé ðàáîòå òåïëî-
íîñèòåëåì ñëóæèëà äèñòèëëèðîâàííàÿ âîäà
(ÄÂ), à äîáàâêè ÍÆ èñïîëüçîâàëèñü â êà÷åñò-
âå îõëàæäàþùèõ æèäêîñòåé.
Ñ ýòîé öåëüþ íàìè ñîçäàíà óñòàíîâêà ñ ìè-
íèàòþðíûì ðåàêòîðîì â âèäå ñòåêëÿííîãî öè-
ëèíäðè÷åñêîãî ñîñóäà åìêîñòüþ 350 ìë è íàãðå-
âàòåëåì â âèäå òîíêîé Ni/Cr ïðîâîëîêè (äèà-
ìåòðîì 0,31 ìì è äëèíîé 143 ìì) [3]. Íà íåé
áûëè ïîñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòû, ìîäåëèðóþùèå
âîçíèêíîâåíèå è ýêñòðåííîå óñòðàíåíèå àâàðèé-
íîé ñèòóàöèè, ÷ðåâàòîé âûõîäîì èç ñòðîÿ ïðåä-
ïîëàãàåìîãî ðåàêòîðà.
 ýêñïåðèìåíòàëüíûé ñîñóä íàáèðàëè 250 ìë
ÄÂ è ôèêñèðîâàëè åãî â ãîðèçîíòàëüíîì ïîëî-
æåíèè. Îñóùåñòâëÿëè ïîñëåäîâàòåëüíûé ïîäú-
åì òåïëîâîé íàãðóçêè äî íàñòóïëåíèÿ êðèçèñà
êèïåíèÿ òåïëîíîñèòåëÿ (ÄÂ), ïîñëåäóþùåå
âïðûñêèâàíèå â ðåàêòîð ïîðöèè ãîðÿ÷åé ÍÆ â
êîëè÷åñòâå 1/5 îáùåãî îáúåìà òåïëîíîñèòåëÿ è
îäíîâðåìåííóþ çàïèñü êðèâûõ èçìåíåíèÿ òåì-
ïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ, óäåëüíîãî òåïëîâîãî ïî-
òîêà è êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è âî âðåìåíè.
Ïàðàëëåëüíî ñ ýòèì çàïèñûâàëè êðèâûå êè-
ïåíèÿ äèñòèëëèðîâàííîé âîäû è äâóõ èñïûòóå-
ìûõ ÍÆ ïðè ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè ïîäúåìà
óäåëüíîé òåïëîâîé íàãðóçêè 1,1 êÂò/(ì2.ñ).
Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëè íà ñïåöèàëüíî ðàçðà-
áîòàííîì è ïîëíîñòüþ àâòîìàòèçèðîâàííîì ñòåí-
äå [3], ðàáîòàþùåì íà ïîñòîÿííîì òîêå è óïðàâ-
ëÿåìîì êîìïüþòåðíîé ïðîãðàììîé. Àíàëîãî-
öèôðîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü è ñèãíàëüíûå íîðìà-
ëèçàòîðû òàêæå âõîäèëè â èçìåðèòåëüíóþ ñèñòå-
ìó â äîïîëíåíèå ê ÏÊ. Íîðìàëèçàòîðû îáåñïå-
÷èâàëè ïðåîáðàçîâàíèå èçìåðÿåìûõ ñèãíàëîâ â
íîðìàëèçîâàííûå ñèãíàëû, êîòîðûå ïîñòóïàëè
íà âõîä â àíàëîãî-öèôðîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü, à
òàêæå ôèëüòðàöèþ è ëèíåàðèçàöèþ âõîäíûõ
ñèãíàëîâ îò äàò÷èêîâ òîêà è òåìïåðàòóðû.
Òåìïåðàòóðó íàðóæíîé ïîâåðõíîñòè íàãðå-
âàòåëÿ îïðåäåëÿëè ïî çàâèñèìîñòè ýëåêòðè÷å-
ñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ íèõðîìîâîé ïðîâîëîêè îò
òåìïåðàòóðû [3]. Âñå èçìåðåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ
è ðàñ÷åòíûõ òåïëîâûõ ïàðàìåòðîâ (òîê, íàïðÿ-
æåíèå, òåìïåðàòóðà, ÓÒÏ, ÊÒÎ è äð.) áûëè
âûïîëíåíû ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàçðàáîòàííîãî
ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ. Êîìïüþòåðîì îäíî-
âðåìåííî ñòðîèëèñü ãðàôè÷åñêèå çàâèñèìîñòè
ìåæäó óêàçàííûìè ïàðàìåòðàìè â ðåæèìå îí-
ëàéí. Ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ ÓÒÏ è ÊÒÎ íå
ïðåâûøàëà 3 %.
 êà÷åñòâå îõëàæäàþùåé æèäêîñòè âûáðà-
íà íàíîæèäêîñòü íà îñíîâå ãåíåòè÷åñêîé ñìåñè
ïðèðîäíûõ àëþìîñèëèêàòîâ óêðàèíñêèõ ìåñòî-
ðîæäåíèé: ìîíòìîðèëëîíèòà è àòòàïóëüãèòà
(AlSi-7). Äëÿ ñðàâíåíèÿ áûëà èñïûòàíà ÍÆ-8
íà îñíîâå âîäíîé íàíîäèñïåðñèè äèîêñèäà òèòà-
íà (TiO2) ðóòèëüíîé ìîäèôèêàöèè ñ áîëåå âû-
ñîêîé êîíöåíòðàöèåé Í× (òàáëèöà).
Íàíîôëþèäû ïîëó÷àëè â ðåçóëüòàòå êðàòêî-
âðåìåííîãî (5 ìèí) óëüòðàçâóêîâîãî äèñïåðãèðî-
âàíèÿ íà óñòàíîâêå ÓÇÄÍ-2Ò ñîîòâåòñòâóþùèõ
ìèêðîïîðîøêîâ â äèñòèëëèðîâàííîé âîäå áåç
ïðèìåíåíèÿ äèñïåðãåíòà. Óñòîé÷èâîñòü èññëåäóå-
ìûõ íàíîäèñïåðñèé, îöåíåííàÿ ïî âåëè÷èíàì èõ
�-ïîòåíöèàëà è ñåäèìåíòàöèîííûì ìåòîäîì, áûëà
âïîëíå óäîâëåòâîðèòåëüíîé äëÿ èçìåðåíèÿ òåïëî-
âûõ ïàðàìåòðîâ. Äèñïåðñíûé ñîñòàâ è �-ïîòåíöè-
àë ÍÆ îïðåäåëÿëè ñ ïîìîùüþ ëàçåðíîãî êîððå-
ëÿöèîííîãî ñïåêòðîìåòðà ZetaSizer NANO-ZS
(Malvern Instrument, UK), à ïîâåðõíîñòíîå íàòÿ-
æåíèå — ìåòîäîì ïëàñòèíêè Âèëüãåëüìè (ìîäè-
ôèöèðîâàííûé òåíçèîìåòð K6 KRUSS GmbH,
Germany). Íåêîòîðûå ôèçèêî-õèìè÷åñêèå è òåï-
ëîòåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè îáúåêòîâ èññëåäî-
âàíèÿ ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå
Íà ðèñ.1 ïðèâåäåíû ñîâìåùåííûå êðèâûå
êèïåíèÿ è ñîîòâåòñòâóþùèå çàâèñèìîñòè êîýô-
ôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è � (Âò/(ì2.Ê)) èññëåäóå-
ìûõ ÍÆ îò ðàçíîñòè òåìïåðàòóð ïîâåðõíîñòè
íàãðåâàòåëÿ è òåïëîíîñèòåëÿ (�Ò) ïî ñðàâíå-
íèþ ñ äèñòèëëèðîâàííîé âîäîé.
Êàê âèäíî èç ðèñ.1, à, êðèâàÿ êèïåíèÿ äëÿ
äèñòèëëèðîâàííîé âîäû (1) èìååò õàðàêòåðíûé
âèä ñ ãîðèçîíòàëüíûì ó÷àñòêîì, êîòîðûé ñîîò-
âåòñòâóåò íàñòóïëåíèþ êðèçèñà êèïåíèÿ è âíå-
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4 17
Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè è âåëè÷èíû qmax è �max ïðè êèïåíèè âîäû è íåêîòîðûõ
âîäíûõ íàíîæèäêîñòåé
Íàíîæèäêîñòè íà îñíîâå rñð, íì Ñ, % (ìàñ.) k = l/d ðÍ �, ìÍ/ì �, ìÂ
qmax, � 10–6,
Âò/ì2
�max,
Âò/(ì2.Ê)
Äèñòèëëèðîâàííàÿ âîäà (ÄÂ) – 0 – 5,8 72,8 – 1,2 25000
ÄÂ + TiO2 (ðóòèë) (ÍÆ-8) 70–300 0,8 1–5 6,0 71,4 –39,5 1,4 32000
ÄÂ + ìîíòìîðèëëîíèò +
àòòàïóëüãèò (AlSi-7)
50–500 0,45 200–500 5,9 72,6 –19,8 3,5 38000
Ïðèìå÷àíèå. rñð — ñðåäíèé ðàçìåð íàíî÷àñòèö; Ñ — êîíöåíòðàöèÿ íàíî÷àñòèö; k — êîýôôèöèåíò àíèçîìåòðèè ÷àñòèö; � —
ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå ÍÆ ïðè 20 �Ñ; � — ýëåêòðîêèíåòè÷åñêèé ïîòåíöèàë; qmax — ìàêñèìàëüíûé óäåëüíûé òåïëîâîé ïî-
òîê; �max — ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è.
çàïíîìó ðîñòó òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ ïðè
qcr = 0,7 ÌÂò/ì2. Ïðèñóòñòâèå íàíî÷àñòèö â
ÍÆ íå òîëüêî èçìåíÿåò õàðàêòåð êðèâîé êèïå-
íèÿ âîäû êàê áàçîâîé æèäêîñòè, íî è âûçûâàåò
ñèëüíûé ðîñò ÓÒÏ (q) è êîýôôèöèåíòà òåïëî-
îòäà÷è (�) (ðèñ.1, êðèâûå 2, 3).
Èç ðèñ.1 è òàáëèöû ñëåäóåò, ÷òî îñíîâíûå
òåïëîâûå ïàðàìåòðû êèïåíèÿ (qmax è �max) èñ-
ñëåäóåìûõ æèäêîñòåé óâåëè÷èâàþòñÿ â ðÿäó
ÄÂ < ÍÆ-8 < AlSi-7. Ýòî ñëóæèò ïîäòâåðæäå-
íèåì òîãî, ÷òî òåïëîîòäà÷à ïðè êèïåíèè ÍÆ è,
ñëåäîâàòåëüíî, èõ îõëàæäàþùàÿ ñïîñîáíîñòü
ãîðàçäî âûøå, ÷åì ó âîäû [21].
Íà ðèñ.2 ïðèâåäåíà ôîòîãðàôèÿ ýêñïåðè-
ìåíòàëüíîãî ñîñóäà ñ ÄÂ, íàõîäÿùåéñÿ â ñî-
ñòîÿíèè ðàçâèòîãî ïëåíî÷íîãî ðåæèìà êèïåíèÿ
(êðèçèñà), ïðè÷åì â ìîìåíò, êîãäà ðàçðóøåíèå
íàãðåâàòåëÿ åùå íå ïðîèçîøëî. Äëÿ âûÿñíåíèÿ
âîçìîæíîñòè ýêñòðåííîãî îõëàæäåíèÿ ïîâåðõíî-
ñòè íàãðåâà îáîðóäîâàíèÿ, îêàçàâøåãîñÿ â ïîäîá-
íîé àâàðèéíîé ñèòóàöèè, ìû âûáðàëè èìåííî òà-
êîå êðèçèñíîå ñîñòîÿíèå äëÿ ââåäåíèÿ ïîðöèè
îõëàæäàþùåé ÍÆ. Ýòî ñîñòîÿíèå ñîîòâåòñòâóåò
ó÷àñòêó C–D íà êðèâûõ ñèíõðîííîé çàïèñè òåï-
ëîâûõ ïàðàìåòðîâ êèïåíèÿ âî âðåìåíè è õàðàêòå-
ðèçóåòñÿ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðîé ïîâåðõíî-
ñòè íàãðåâà (600–700 �Ñ) è ìèíèìàëüíîé òåïëî-
îòäà÷åé �min ïðè q > qcr (ðèñ.3).
Ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç êðèâûõ ñèíõðîííîé
çàïèñè îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ òåïëîîáìåíà âî
âðåìåíè ïðè êèïåíèè äèñòèëëèðîâàííîé âîäû è
ïîñëåäóþùåì ââåäåíèè îõëàæäàþùèõ ÍÆ ïî-
çâîëèë èäåíòèôèöèðîâàòü âñå ïàðàìåòðû è ðå-
æèìû òåïëîîáìåíà.
Èç ðèñ.3 ÷åòêî âèäåí âûõîä èç êðèçèñà êè-
ïåíèÿ (ó÷àñòîê D–E), êîòîðûé äîñòèãàåòñÿ äî-
áàâëåíèåì íåçíà÷èòåëüíîé ïîðöèè ÍÆ (1/5
÷àñòè) ê îáùåìó ðàáî÷åìó îáúåìó òåïëîíîñèòå-
ëÿ. Â çàâèñèìîñòè îò ïðèðîäû è êîíöåíòðàöèè
Í×, ïðèñóòñòâóþùèõ â ÍÆ, à òàêæå îò èõ
ôîðìû è àíèçîìåòðèè ïðîèñõîäèò ÷àñòè÷íûé
èëè ïîëíûé âûõîä ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà íà
äîêðèçèñíûé òåìïåðàòóðíûé ðåæèì. Îñîáåííî
íàãëÿäíî ñðàâíåíèå êðèâûõ èçìåíåíèÿ òåìïåðà-
òóðû (t = f( )) è êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è
(�
f� )) ïîñëå ââåäåíèÿ äâóõ ðàçëè÷íûõ ÍÆ:
AlSi-7 è ÍÆ-8 (ÒiO2). Âèäíî, ÷òî îõëàæäåíèå
ïåðåãðåòîé ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà ïðîèñõî-
äèò áûñòðåå è ýôôåêòèâíåå â ñëó÷àå ïðèìåíå-
íèÿ AlSi-7.
Íàèáîëåå ïðèìå÷àòåëüíî, ÷òî ââåäåíèå ïîð-
öèè ãîðÿ÷åé ÍÆ â êèïÿùèé òåïëîíîñèòåëü, íà-
õîäÿùèéñÿ â ñîñòîÿíèè êðèçèñà, ïðèâîäèò ê
ðåçêîìó ñíèæåíèþ òåìïåðàòóðû íàãðåâàòåëÿ è
âîçâðàùåíèþ ê ñòàöèîíàðíîìó è áåçîïàñíîìó
ïóçûðüêîâîìó ðåæèìó êèïåíèÿ ïðè çíà÷åíèè
ÓÒÏ q > qcrH2O. Ïðè ýòîì î÷åíü âàæíûì ÿâëÿ-
åòñÿ òîò ôàêò, ÷òî äàííûé ðåæèì (ó÷àñòîê
D–F) ñîõðàíÿåòñÿ ñêîëü óãîäíî äîëãî ïðè
q > qcr è Ò = 125–130 �Ñ. Åñëè ñ öåëüþ ýêñ-
òðåííîãî îõëàæäåíèÿ âìåñòî ÍÆ ââåñòè â ðåàê-
òîð ýêâèâàëåíòíîå êîëè÷åñòâî äèñòèëëèðîâàí-
íîé âîäû, òî ïîñëå íåçíà÷èòåëüíîãî ñíèæåíèÿ
òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè íàãðåâà ñèñòåìà âîç-
âðàùàåòñÿ ê ïëåíî÷íîìó ðåæèìó, òî åñòü ê êðè-
18 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4
Ðèñ.1. Çàâèñèìîñòè óäåëüíîãî òåïëîâîãî ïîòîêà (a) è êîýô-
ôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è (á) ïðè êèïåíèè æèäêîñòåé: 1 —
äèñòèëëèðîâàííîé âîäû; 2 — ÍÆ-8 (ÑÍÆ-8 = 0,8 % (ìàñ.));
3 — AlSi-7 (ÑAlSi7 = 0,45 % (ìàñ.) — îò ðàçíîñòè òåìïåðà-
òóð íàãðåâàòåëÿ è òåïëîíîñèòåëÿ �Ò.
Ðèñ.2. Êðèçèñ êèïåíèÿ äèñòèëëèðîâàííîé âîäû ïðè qcr =
0,7 ÌÂò/ì2.
çèñó êèïåíèÿ. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî
ýêñòðåííûé âûõîä èç êðèçèñà ïîñëå ââåäåíèÿ
ÍÆ ñâÿçàí ñ ìãíîâåííûì îòëîæåíèåì Í× íà
ïîâåðõíîñòè íàãðåâà è ñ îáðàçîâàíèåì ïîðèñòî-
ãî ñëîÿ, îáóñëîâëèâàþùåãî ðåçêóþ èíòåíñèôè-
êàöèþ òåïëîîáìåíà.
Íà ðèñ.4 äëÿ äâóõ ðàçíûõ îïûòîâ ïðèâå-
äåíà çàïèñü ïîëíîãî õîäà ñîîòâåòñòâóþùèõ
êðèâûõ êèïåíèÿ äèñòèëëèðîâàííîé âîäû
êëàññè÷åñêîãî âèäà ñ ïîñëåäóþùèì äîáàâëå-
íèåì â òî÷êàõ C è D îõëàæäàþùèõ ÍÆ
AlSi-7 è ÍÆ-8 ê êèïÿùåìó òåïëîíîñèòåëþ.
Íà êðèâûõ ïîêàçàíî ðàñïîëîæåíèå âñåõ ðå-
ïåðíûõ òî÷åê è ïðîâåäåíà èíòåðïðåòàöèÿ âñåõ
ó÷àñòêîâ êðèâûõ, îòðàæàþùèõ îïðåäåëåííûå
ðåæèìû êèïåíèÿ è èçìåíåíèÿ òåïëîâûõ ïàðà-
ìåòðîâ ïðîöåññà.
Íåñìîòðÿ íà âíåøíåå ñõîäñòâî êðèâûõ êè-
ïåíèÿ ïîñëå äîáàâëåíèÿ äâóõ èñïûòóåìûõ ÍÆ
ìåæäó íèìè èìåþòñÿ âåñüìà ñóùåñòâåííûå îò-
ëè÷èÿ. Ñîâìåñòíûé àíàëèç êðèâûõ íà ðèñ.3 è 4
ïîêàçûâàåò, ÷òî ïîñëå ââåäåíèÿ ÍÆ AlSi-7 âû-
õîä íà áåçîïàñíûé ïóçûðüêîâûé ðåæèì êèïå-
íèÿ (ó÷àñòîê D–E) ïðîèñõîäèò íå òîëüêî áûñò-
ðåå è ïðè áîëåå âûñîêîì çíà÷åíèè ÓÒÏ, íî è
ïðè ìåíüøåé òåìïåðàòóðå è âåëè÷èíå ïåðåãðåâà
ïîâåðõíîñòè �Ò � 15–20 �Ñ, ÷åì â ñëó÷àå ïðè-
ìåíåíèÿ ÍÆ-8. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î áîëüøåé
ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ ñ ïîìîùüþ AlSi-7.
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4 19
Ðèñ.3. Èçìåíåíèå âî âðåìåíè (t) îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ òåïëîîáìåíà ïðè êèïåíèè äèñòèëëèðîâàííîé âîäû è ïîñëåäóþùåì
äîáàâëåíèè ÍÆ-8 (a) è AlSi-7 (á): À — âîçíèêíîâåíèå êðèçèñà êèïåíèÿ ïåðâîãî ðîäà; À–Â — êîðîòêèé ïåðåõîäíûé ðå-
æèì êèïåíèÿ, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò ñòðåìèòåëüíûé ðîñò òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà áåç ðîñòà òåïëîâîé íà-
ãðóçêè; Â–Ñ — ïîâûøåíèå òåïëîâîé íàãðóçêè â ïëåíî÷íîì ðåæèìå êèïåíèÿ; Ñ–D — çîíà òåïëîîáìåíà â ïëåíî÷íîì ðåæè-
ìå êèïåíèÿ; D — òî÷êà äîáàâëåíèÿ ÍÆ ê îáùåìó îáúåìó òåïëîíîñèòåëÿ (ÄÂ); D–E — ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû ïîâåðõíî-
ñòè íàãðåâàòåëÿ è âîçâðàùåíèå ê ïóçûðüêîâîìó ðåæèìó êèïåíèÿ; E–F — ñòàöèîíàðíûé ïóçûðüêîâûé ðåæèì êèïåíèÿ ïðè
q > qcr; F–G — âûêëþ÷åíèå ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè.
Ðèñ.4. Ñðàâíèòåëüíîå âëèÿíèå äîáàâëåíèÿ íàíîæèäêîñòåé
AlSi-7 (1) è ÍÆ-8 (2) ê êèïÿùåìó òåïëîíîñèòåëþ â ìîìåíò
ðàçâèòîãî ïëåíî÷íîãî ðåæèìà íà õîä êðèâûõ êèïåíèÿ òåï-
ëîíîñèòåëÿ (âîäû). Òî÷êè C, D óêàçûâàþò ìîìåíò ââåäåíèÿ
ïîðöèè ÍÆ. Íà êðèâûõ êèïåíèÿ äëÿ îáåèõ íàíîæèäêîñòåé
òî÷êè C è D ñîâïàäàþò â îäíó, êàê è òî÷êè E, F. Ó÷àñòîê I
— ïîâûøåíèå òåïëîâîé íàãðóçêè ïðè ïóçûðüêîâîì ðåæèìå
êèïåíèÿ; ó÷àñòîê II — âîçíèêíîâåíèå è ïåðåõîä ê ñòàáèëü-
íîìó ïëåíî÷íîìó ðåæèìó (êðèçèñó) êèïåíèÿ; ó÷àñòîê III —
ïîâûøåíèå íàãðóçêè óæå â ïëåíî÷íîì ðåæèìå êèïåíèÿ, êî-
ãäà ðàçðóøåíèå íàãðåâàòåëÿ åùå íå ïðîèçîøëî; ó÷àñòîê IV
— ðåçêîå îõëàæäåíèå ïîâåðõíîñòè íàãðåâàòåëÿ ïîñëå äîáàâ-
ëåíèÿ ïîðöèè íàíîæèäêîñòè; ó÷àñòîê V — ñíèæåíèå óäåëü-
íîé òåïëîâîé íàãðóçêè è âûêëþ÷åíèå ëàáîðàòîðíîé óñòà-
íîâêè.
È ýòî ïðèòîì, ÷òî êîíöåíòðàöèÿ AlSi-7 ïî÷òè
âäâîå ìåíüøå, ÷åì ÍÆ-8.
Ñóäÿ ïî êðèâûì êèïåíèÿ è âûñîêèì âåëè-
÷èíàì ìàêñèìàëüíî äîñòèãíóòûõ ÓÒÏ è êîýô-
ôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è [7], íåñðàâíåííî áîëü-
øèé îõëàæäàþùèé ýôôåêò ìîæíî îæèäàòü îò
ïðèìåíåíèÿ â êà÷åñòâå òåïëîíîñèòåëåé êîìïîçè-
öèîííûõ ÍÆ, ñîäåðæàùèõ íàðÿäó ñ àëþìîñè-
ëèêàòàìè óãëåðîäíûå íàíî÷àñòèöû òåðìîãðàôå-
íèòà è óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê. Ýòî íàïðàâëå-
íèå èññëåäîâàíèé ñóëèò áîëüøèå ïåðñïåêòèâû è
âûãîäû äëÿ ïðàêòèêè.
Òàêèì îáðàçîì, â çàâèñèìîñòè îò òèïà äî-
áàâëåííîé ÍÆ ïðè âîçâðàùåíèè ê ïóçûðüêîâî-
ìó ðåæèìó êèïåíèÿ òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè
íàãðåâàòåëÿ ìîæåò îïóñêàòüñÿ äî ðàçíûõ çíà÷å-
íèé. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ïðèíöèïèàëüíî ðàçëè÷-
íûìè «íàíîàðõèòåêòóðàìè», âîçíèêàþùèìè íà
ïîâåðõíîñòè íàãðåâàòåëüíîãî ýëåìåíòà ïðè êè-
ïåíèè ðàçíûõ ÍÆ [1–7]. Â ðàáîòàõ [4, 6, 7]
áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìèêðîðåëüåô, ïîðèñòîñòü è
óäåëüíàÿ ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà ìî-
ãóò èçìåíÿòüñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ â çàâèñèìî-
ñòè îò äèñïåðñíîñòè, ôîðìû è àíèçîìåòðèè îò-
ëîæèâøèõñÿ ÷àñòèö, ÷òî îáóñëîâëèâàåò ðàçëè÷-
íóþ ñòåïåíü èíòåíñèôèêàöèè òåïëîîòäà÷è è ýô-
ôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ.
Äëÿ ïðèãîòîâëåíèÿ íàíîæèäêîñòåé ýíåðãå-
òè÷åñêîãî íàçíà÷åíèÿ âïåðâûå áûëè ïðåäëîæå-
íû ïðèðîäíûå àëþìîñèëèêàòû [1–5, 20]. Íàíî-
ðàçìåðíîñòü, ðàçíîîáðàçíûå ôîðìû è àíèçîìåò-
ðèÿ èõ ÷àñòèö, âûñîêàÿ ãèäðîôèëüíîñòü ïî-
âåðõíîñòè è ñïîñîáíîñòü ê ñàìîïðîèçâîëüíîìó
äèñïåðãèðîâàíèþ â âîäíûõ ðàñòâîðàõ ïðåäî-
ïðåäåëÿþò âûñîêèå òåïëîâûå ïàðàìåòðû òàêèõ
íàíîæèäêîñòåé ïðè èñïîëüçîâàíèè èõ â êà÷åñò-
âå òåïëîíîñèòåëåé, îñîáåííî ïðè êèïåíèè.
Êàê ïîêàçàëè èññëåäîâàíèÿ [4, 5], ïðåèìó-
ùåñòâàìè ïðåäëàãàåìûõ âîäíî-àëþìîñèëèêàò-
íûõ ÍÆ êàê òåïëîíîñèòåëåé ÿâëÿþòñÿ âûñî-
êàÿ êîëëîèäíàÿ óñòîé÷èâîñòü è ñòàáèëüíîñòü ê
ìíîãîêðàòíûì öèêëàì êèïåíèÿ-îõëàæäåíèÿ,
âûñîêèå òåïëîâûå ïàðàìåòðû, äîñòóïíîñòü è
äåøåâèçíà, ýêîëîãè÷åñêàÿ áåçîïàñíîñòü. Íà-
ïðèìåð, íàìè áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ïîñëå
60-ìèíóòíîãî êèïåíèÿ àëþìîñèëèêàòíûå ÍÆ
ñòàíîâÿòñÿ åùå áîëåå óñòîé÷èâûìè â ðåçóëüòà-
òå äàëüíåéøåãî äèñïåðãèðîâàíèÿ Í×, à äðóãèå
òèïû ÍÆ ïîëíîñòüþ èëè ÷àñòè÷íî êîàãóëèðó-
þò è îñàæäàþòñÿ. Ýòà âàæíàÿ äëÿ ïðàêòèêè
îñîáåííîñòü àëþìîñèëèêàòíûõ ÍÆ, âåðîÿòíî,
ñâÿçàíà ñî ñïåöèôèêîé êðèñòàëëîõèìè÷åñêîé
ñòðóêòóðû ìèíåðàëîâ è òîïîãðàôèè (õàðàêòåðà
ðàñïðåäåëåíèÿ) ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ íà ïî-
âåðõíîñòè èõ ÷àñòèö, à òàêæå ñ èõ âûñîêîé
ãèäðîôèëüíîñòüþ [22].
Åùå îäíî íåìàëîâàæíîå äîñòîèíñòâî àëþ-
ìîñèëèêàòíûõ ÍÆ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îò-
ëîæèâøèéñÿ ïðè èõ êèïåíèè ïîðèñòûé ñëîé íà
ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà èìååò ãåëåîáðàçíóþ
ïîäâèæíóþ ñòðóêòóðó, âñëåäñòâèå ÷åãî â ñëó÷àå
íåîáõîäèìîñòè ðåãåíåðàöèè ìîæåò áûòü ëåãêî
óäàëåí ñ ïîâåðõíîñòè ñèëüíûì ïîòîêîì áàçîâîé
æèäêîñòè. Ïîäîáíîé îáðàòèìîñòüþ îñàäêà àëþ-
ìîñèëèêàòíûå ÍÆ âûãîäíî îòëè÷àþòñÿ îò
áîëüøèíñòâà îêñèäíûõ, êàðáèäíûõ è äðóãèõ
ÍÆ, îáðàçóþùèõ òâåðäûå îòëîæåíèÿ íà ïî-
âåðõíîñòè êèïåíèÿ.
Óêðàèíà ðàñïîëàãàåò îãðîìíûìè çàïàñàìè
ìèíåðàëüíîãî ñûðüÿ (äåñÿòêè ìèëëèîíîâ òîíí),
ïðèãîäíîãî äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÍÆ. Ïðîñòîé ðàñ÷åò
ïîêàçûâàåò, ÷òî ïðîìûøëåííîå ïðîèçâîäñòâî è
èñïîëüçîâàíèå ÍÆ íà îñíîâå ïðèðîäíûõ àëþ-
ìîñèëèêàòîâ äëÿ îõëàæäåíèÿ ýíåðãîîáîðóäîâà-
íèÿ ìîãóò îêàçàòüñÿ âåñüìà ýôôåêòèâíûìè è
ýêîíîìè÷åñêè âûãîäíûìè è ñòàòü ïðåäìåòîì
ýêñïîðòíûõ ïîñòàâîê. Âûøåïåðå÷èñëåííûå ïðå-
èìóùåñòâà àëþìîñèëèêàòíûõ ÍÆ äåëàþò èõ
÷ðåçâû÷àéíî ïåðñïåêòèâíûìè òåïëîíîñèòåëÿìè
äëÿ ýíåðãåòèêè.
Âûâîäû
Ðàññìîòðåíà ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü
ïðèìåíåíèÿ íàíîæèäêîñòåé äëÿ ýêñòðåííîãî
îõëàæäåíèÿ àâàðèéíî ïåðåãðåòîãî ýíåðãåòè÷å-
ñêîãî îáîðóäîâàíèÿ â ñëó÷àå âíåçàïíîãî íàñòó-
ïëåíèÿ êðèçèñà êèïåíèÿ. Ñ ýòîé öåëüþ ñîçäàíà
àâòîìàòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà äëÿ ñèíõðîííîé çàïè-
ñè îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ òåïëîîáìåíà âî âðåìå-
íè è êðèâûõ êèïåíèÿ òåïëîíîñèòåëåé. Íà äàí-
íîé óñòàíîâêå ïðîâåäåíû óñïåøíûå ïðåäâàðè-
òåëüíûå èñïûòàíèÿ äâóõ íàíîæèäêîñòåé íà îñ-
íîâå ïðèðîäíîé ñìåñè äâóõ àëþìîñèëèêàòîâ
(AlSi-7) è äèîêñèäà òèòàíà (ÍÆ-8), îáëàäàþ-
ùèõ ðàçëè÷íîé îõëàæäàþùåé ñïîñîáíîñòüþ.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî ââåäåíèå íåçíà÷èòåëüíîé ïîð-
öèè íàíîæèäêîñòè â êèïÿùèé òåïëîíîñèòåëü
(äèñòèëëèðîâàííóþ âîäó), íàõîäÿùèéñÿ â ñî-
ñòîÿíèè ïëåíî÷íîãî êèïåíèÿ (theater > 500 �C),
ïðèâîäèò ê ðåçêîìó ñíèæåíèþ òåìïåðàòóðû ïî-
âåðõíîñòè òåïëîîáìåíà äî 130–150 �Ñ, ÷òî ïî-
çâîëÿåò ýêñòðåííî ïðåäîòâðàòèòü ïîòåíöèàëüíóþ
àâàðèþ. Ðàçðàáîòàííàÿ ìåòîäèêà ïîçâîëÿåò êî-
ëè÷åñòâåííî îöåíèòü ñðàâíèòåëüíóþ îõëàæäàþ-
ùóþ ñïîñîáíîñòü ðàçëè÷íûõ íàíîæèäêîñòåé.
Ïîëó÷åíî óáåäèòåëüíîå äîêàçàòåëüñòâî òî-
ãî, ÷òî ïîâûøåííûå òåïëîîòäà÷à è îõëàæäàþ-
ùàÿ ñïîñîáíîñòü ïðè êèïåíèè íàíîæèäêîñòåé
ïî ñðàâíåíèþ ñ âîäîé ñâÿçàíû ñ èçìåíåíèåì
ïðèðîäû è ìèêðîðåëüåôà ïîâåðõíîñòè íàãðåâà
âñëåäñòâèå îòëîæåíèÿ ñëîÿ íàíî÷àñòèö, ïîääåð-
æèâàþùåãî óñòîé÷èâûé ïóçûðüêîâûé ðåæèì
êèïåíèÿ.
20 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4
Äîêàçàíà ïåðñïåêòèâíîñòü èññëåäóåìûõ âîä-
íî-àëþìîñèëèêàòíûõ íàíîæèäêîñòåé êàê òåïëî-
íîñèòåëåé äëÿ ýíåðãåòèêè âñëåäñòâèå èõ âûñî-
êèõ òåïëîâûõ ïàðàìåòðîâ, èõ ñòàáèëüíîñòè ê
âîçäåéñòâèþ ðàäèàöèè è ìíîãîêðàòíûì öèêëàì
êèïåíèÿ-îõëàæäåíèÿ, äîñòóïíîñòè è ýêîëîãè÷å-
ñêîé áåçîïàñíîñòè.
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sydorenko S.V., et
al. Some peculiarities of heat exchange at pool boil-
ing of aluminosilicates-water based nanofluids //
Proceedings of the 8th International Symposium on
Heat Transfer, Beijing, China, Oct. 21–24, 2012,
ISHT8-04-05. — P. 181–190.
2. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sydorenko S.V., et
al. Nanofluids for Power Engineering : Effect of sta-
bilization on the critical heat flux at boiling //
Technical Physics Letters. — 2012. — Vol. 38,
¹ 9. — P. 853–857.
3. Bondarenko B.I, Moraru V.N., Ilienko B.K., et al.
Study of a heat transfer mechanism and critical heat
flux at nanofluids boiling // International Journal
of Energy for a Clean Environment. — 2013. —
Vol. 14, ¹ 2–3. — P. 151–168.
4. Áîíäàðåíêî Á.È., Ìîðàðó Â.Í., Ñèäîðåíêî Ñ.Â. è
äð. Èññëåäîâàíèÿ ïî ñîçäàíèþ íàíîæèäêîñòåé
äëÿ ýíåðãåòèêè // Ýêîëîãèÿ è ïðîìûøëåííîñòü.
— 2013. — ¹ 3. — Ñ. 51–55.
5. Ìîðàðó Â.Í., Êîìûø Ä.Â., Õîâàâêî À.È. è äð.
Íàíîæèäêîñòè íà îñíîâå óêðàèíñêèõ ïðèðîäíûõ
àëþìîñèëèêàòîâ — ïåðñïåêòèâíûå òåïëîíîñèòåëè
äëÿ ýíåðãåòèêè // Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñî-
ñáåðåæåíèå. — 2015. — ¹ 1. — Ñ. 22–32.
6. Ìîðàðó Â.Í., Êîìûø Ä.Â., Õîâàâêî À.È. è äð.
Âëèÿíèå ñîñòîÿíèÿ ïîâåðõíîñòè íàãðåâà íà èíòåí-
ñèâíîñòü òåïëîîòäà÷è ïðè êèïåíèè íàíîæèäêîñòåé
// Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. —
2015. — ¹ 2. — C. 25–33.
7. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sydorenko S.V., et
al. Nanostructured Architectures on the Heater Sur-
face at Nanofluids Boiling and Their Role in the In-
tensification of Heat Transfer // Nanoscience and
Nanoengineering. — 2016. — Vol. 4, ¹ 1. — P.
12–22.
8. Kandlikar S.G. A Theoretical Model to Predict Pool
Boiling CHF Incorporating Effects of Contact An-
gle and Orientation // J. Heat Transfer-Transac-
tions ASME. — 2001. — Vol. 123. — P.
1071–1079.
9. Pat. 2433949 RU, Int.Cl. B 82 B 3/00 (2006.01), B 82
Y 40/00 (2011.01). Method to form nanorelief on
heat-exchange surfaces of products, Ju.A.Kuzma-
Kichta, A.V.Lavrikov, N.Ja.Parshin, V.N.Turchin,
D.N.Ignat’ev, Ju.P.Shtefanov, Publ. 20.11.2011,
Bull. 32.
10. Lu Yen-Wen, Kandlikar S.G. Nanoscale Surface
Modification Techniques for Pool Boiling Enhance-
ment — A Critical Review and Future Directions
// Heat Transfer Engineering. — 2011. — Vol.
32. — P. 827–842.
11. Furberg R. Enhanced Boiling Heat Transfer on a
Dendritic and Micro-Porous Copper Structure :
Doctoral Thesis by Richard Furberg, KTH School of
Industrial Engineering and Management Depart-
ment of Energy Technology, Stockholm, Nov. 2011,
86 p., ISBN 978–91–7501–163–9.
12. Bhogare R.A., Kothawale B.S. A Review on appli-
cations and challenges of Nanofluids as coolant in
Automobile Radiator // International Journal of
Scientific and Research Publications. — 2013. —
Vol. 3, Iss. 8 — P. 1–11. — ISSN 2250–3153.
13. Bhogare R.A., Kothawale B.S. Performance investi-
gation of Automobile Radiator operated with Al2O3
based nanofluid // IOSR Journal of Mechanical
and Civil Engineering (IOSR–JMCE). — 2014. —
Vol. 11, Iss. 3, Ver. V. — P. 23–30. — e-ISSN:
2278–1684, p-ISSN: 2320–334X.
14. Chougule S.S., Sahu S.K. Thermal Performance of
Automobile Radiator Using Carbon Nanotube-Wa-
ter Nanofluid Experimental Study // Journal of
Thermal Science and Engineering Applications. —
2014. — Vol. 6. — 041009-1.
15. Risi de A., Milanese M., Colangelo G., Laforgia D.
High Efficiency Nanofluid Cooling System for Wind
Turbines // Thermal Science. — 2014. — Vol. 18,
¹ 2. — P. 543–554.
16. Timofeeva E.V. Nanofluids for Heat Transfer — Po-
tential and Engineering Strategies // Two Phase
Flow, Phase Change and Numerical Modeling, Dr.
Amimul Ahsan (Ed.), In Tech Rijeka, Croatia,
2011, pp. 435–450. — ISBN: 978–953–307–584–6.
17. Pham Q.T., Kim T.I., Lee S.S., Chang S.H. En-
hancement of critical heat flux using nano-fluids for
Invessel Retention-External Vessel Cooling // Ap-
plied Thermal Engineering. — 2012. — Vol. 35. —
P. 157–165.
18. US Patent 2008/0212733 A1 (376/282) — Nuclear
power plant using nanoparticles in emergency sys-
tems and related method. — Filed on March 2,
2007. Published on September 4, 2008.
19. US Patent 2008/0219396 A1 (376/282) — Nuclear
power plant using nanoparticles in closed circuits
emergency systems and related method. — Filed on
March 2, 2007. Published on September 11, 2008.
20. Ïàò. 100592 Óêð., ÌÏÊ (2013.01) C 09 K 5/00; B
82 B 1/00, 3/00; B 82 Y 30/00. Òåïëîíîñ³é íà
îñíîâ³ âîäíî¿ ñóñïåí糿 íàíî÷àñòèíîê / Á.².Áîí-
äàðåíêî, Â.Í.Ìîðàðó, Ñ.Â.Cèäîðåíêî è äð. —
Îïóáë. 10.01.13, Áþë. ¹ 1.
21. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sidorenko S.V.,
Komysh D.V. Nanofluids for Power Engineering:
Emergency Cooling of Overheated Heat Transfer
Surfaces // Technical Physics Letters. — 2016. —
Vol. 42, ¹ 7. — P. 675–679.
22. Òàðàñåâè÷ Þ.È. Ñòðîåíèå è õèìèÿ ïîâåðõíîñòè
ñëîèñòûõ ñèëèêàòîâ. — Êèåâ : Íàóê. äóìêà, 1988.
— 248 ñ.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 21.10.16
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4 21
22 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4
Ìîðàðó Â.Í., êàíä. õ³ì. íàóê
²íñòèòóò ãàçó ÍÀÍ Óêðà¿íè, Êè¿â
âóë. Äåãòÿð³âñüêà, 39, 03113 Êè¿â, Óêðà¿íà, e-mail: vasily.moraru@gmail.com
Çàñòîñóâàííÿ íàíîð³äèí äëÿ åêñòðåíîãî àâàð³éíîãî
îõîëîäæåííÿ åíåðãåòè÷íîãî îáëàäíàííÿ
Íà ï³äñòàâ³ îòðèìàíèõ äàíèõ òà êîðîòêîãî ë³òåðàòóðíîãî îãëÿäó ðîçãëÿíóòî ïðèí-
öèïîâó ìîæëèâ³ñòü âèêîðèñòàííÿ íàíîð³äèí äëÿ åêñòðåíîãî îõîëîäæåííÿ àâàð³éíî
ïåðåãð³òîãî åíåðãåòè÷íîãî óñòàòêóâàííÿ. Ç ö³ºþ ìåòîþ ìåòîäîì ñèíõðîííîãî çàïèñó
çì³íè îñíîâíèõ ïàðàìåòð³â òåïëîîáì³íó ïðè êèï³íí³ âîäè ó ÷àñ³ â óìîâàõ ïîñò³éíî¿
øâèäêîñò³ ï³äâèùåííÿ ïèòîìîãî òåïëîâîãî íàâàíòàæåííÿ âèâ÷åíî ìîæëèâ³ñòü åêñòðå-
íîãî îõîëîäæåííÿ ïåðåãð³òî¿ ïîâåðõí³ òåïëîîáì³íó çà äîïîìîãîþ íàíîð³äèí ó ðàç³ âè-
íèêíåííÿ êðèçè êèï³ííÿ. Âèïðîáóâàííþ ï³ääàí³ äâ³ íàíîð³äèíè, îòðèìàí³ íà îñíîâ³
ïðèðîäíî¿ ñóì³ø³ àëþìîñèëèêàòîâ (AlSi-7) òà ä³îêñèäó òèòàíó (ÍÆ-8). Âèÿâëåíî, ùî
ââåäåííÿ íåçíà÷íîþ ïîðö³¿ íàíîð³äèíè ó êèïëÿ÷èé òåïëîíîñ³é (äèñòèëüîâàíó âîäó),
ùî çíàõîäèòüñÿ ó ñòàí³ ïë³âêîâîãî êèï³ííÿ (theater > 500 �C), äຠçìîãó ð³çêî çíèçèòè
òåìïåðàòóðó ïîâåðõí³ òåïëîîáì³íó äî 130–150 �Ñ, ùî â³äïîâ³äຠïåðåõîäó äî áåçïå÷-
íîãî áóëüáàøêîâîãî ðåæèìó êèï³ííÿ áåç çíèæåííÿ ïèòîìîãî òåïëîâîãî ïîòîêó. Ïðè
öüîìó äóæå âàæëèâèì º òîé ôàêò, ùî äàíèé ðåæèì çáåð³ãàºòüñÿ äîñèòü äîâãî ïðè ïè-
òîìîìó òåïëîâîìó íàâàíòàæåíí³, ùî ïåðåâèùóº çíà÷åííÿ êðèòè÷íîãî òåïëîâîãî ïîòî-
êó äëÿ âîäè, òà theater = 125–130 �Ñ. Öå äຠçìîãó íåãàéíî çàïîá³ãòè ïîòåíö³éí³é
àâà𳿠(ïåðåïàë íàãð³âà÷à òà âèõ³ä ç ëàäó òåïëîîáì³ííèêà) òà çàáåçïå÷èòè áåçïå-
ðåá³éíó ðîáîòó îáëàäíàííÿ. Ïîêàçàíî, ùî îõîëîäæåííÿ åíåðãîíàãðóæåíîãî îáëàäíàí-
íÿ çà äîïîìîãîþ àëþìîñèë³êàòíèõ íàíîð³äèí º ö³ëêîì ðåàëüíèì òà åêîíîì³÷íî âèã³ä-
íèì ïðîöåñîì. Á³áë. 22, ðèñ. 4, òàáë. 1.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: íàíîð³äèíè, òåïëîîáì³í, åêñòðåíå îõîëîäæåííÿ, ïîâåðõíÿ íàãð³âó,
â³äêëàäåííÿ.
Moraru V.N., Candidate of Chemical Sciences
The Gas Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev
39, Degtyarivska Str., 03113 Kiev, Ukraine, e-mail: vasily.moraru@gmail.com
Nanofluids Applying for Emergency Cooling
of High Loaded Equipment
Based on these data and a brief literature review we have examined the principled possi-
bility of using nanofluids for emergency cooling of high-energy equipment. With that end
in view, the possibility of emergency cooling of an overheated heat transfer surface using
nanofluids in the case of a boiling crisis is explored by means of synchronous recording of
changes of main heat transfer parameters of boiling water over time. Two nanofluids are
tested, which are derived from a mixture of natural aluminosilicates (AlSi-7) and tita-
nium dioxide (NF-8). It is found that the introduction of a small portions of nanofluid
into a boiling coolant (distilled water) in a state of film boiling (theater > 500 �C) can
dramatically decrease the heat transfer surface temperature to 130–150 �C, which corre-
sponds to a transition to a safe nucleate boiling regime without affecting the specific heat
flux. The fact that this regime is kept for a long time at a specific heat load exceeding
the critical heat flux for water and theater = 125–130 �C is particularly important. This
makes it possible to prevent a potential accident emergency (heater burnout and failure
of the heat exchanger) and to ensure the smooth operation of the equipment. It is shown
that cooling of energyloaded equipment by using aluminosilicate NFs is quite realistic
and cost-effective process. Bibl. 22, Fig. 4, Tab. 1.
Key words: nanofluids, heat exchange, emergency cooling, heating surface, deposits.
References
1. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sydorenko S.V.,
Komysh D.V., Khovavko A.I., Snigur A.V. Some
peculiarities of heat exchange at pool boiling of
aluminosilicates-water based nanofluids, Proceed-
ings of the 8th International Symposium on Heat
Transfer, Beijing, China, Oct. 21–24, 2012, pp.
181–190, ISHT8-04-05.
2. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sydorenko S.V.,
Komysh D.V., Khovavko A.I. Nanofluids for Power
Engineering : Effect of stabilization on the critical
heat flux at boiling, Technical Physics Letters,
2012, 38 (9), pp. 853–857.
3. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Ilienko B.K.,
Khovavko A.I., Komysh D.V., Panov E.M.,
Sydorenko S.V., Snigur O.V. Study of a heat
transfer mechanism and critical heat flux at
nanofluids boiling, International Journal of En-
ergy for a Clean Environment, 2013, 14 (2–3),
pp. 151–168.
4. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sidorenko S.V.,
Svjatenko A.M., Kozhan A.P., Hovavko A.I.,
Komysh D.V., Snigur A.V., Volkov N.V.
Issledovanija po sozdaniju nanozhidkostej dlja
jenergetiki, Jekologija i promyshlennost’, 2013,
(3), pp. 51–55.
5. Moraru V.N., Komysh D.V., Hovavko A.I., Snigur
A.V., Gudkov N.N., Sidorenko N.A., Marinin A.I.
Nanozhidkosti na osnove ukrainskih prirodnyh
aljumosilikatov — perspektivnye teplonositeli dlja
jenergetiki, Jenergotehnologii i resursosberezhenie
[Energy Technologies and Resource Saving], 2015,
(1), pp. 22–32. (Rus.)
6. Moraru V.N., Komysh D.V., Hovavko A.I., Snigur
A.V., Gudkov N.N., Sidorenko N.A. Vlijanie
sostojanija poverhnosti nagreva na intensivnost’
teplootdachi pri kipenii nanozhidkostej, Jenergo-
tehnologii i resursosberezhenie [Energy Technolo-
gies and Resource Saving], 2015, (2), pp. 25–33.
(Rus.)
7. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sydorenko S.V.,
Komysh D.V., Khovavko A.I. Nanostructured Ar-
chitectures on the Heater Surface at Nanofluids
Boiling and Their Role in the Intensification of
Heat Transfer, Nanoscience and Nanoengineering,
2016, 4 (1), pp. 12–22.
8. Kandlikar S.G. A Theoretical Model to Predict Pool
Boiling CHF Incorporating Effects of Contact An-
gle and Orientation, J. Heat Transfer-Transactions
ASME, 2001, 123, pp. 1071–1079.
9. Patent RU 2433949, Int.Cl. B 82 B 3/00 (2006.01),
B 82 Y 40/00 (2011.01). Method to form
nanorelief on heat-exchange surfaces of products,
Ju.A.Kuzma-Kichta, A.V.Lavrikov, N.Ja.Parshin,
V.N.Turchin, D.N.Ignat’ev, Ju.P.Shtefanov, Publ.
20.11.2011, Bull. 32.
10. Lu Yen-Wen, Kandlikar S.G. Nanoscale Surface
Modification Techniques for Pool Boiling Enhance-
ment — A Critical Review and Future Directions,
Heat Transfer Engineering, 2011, 32, pp. 827–842.
11. Richard Furberg. Enhanced Boiling Heat Transfer
on a Dendritic and Micro-Porous Copper Structure,
Doctoral Thesis by Richard Furberg, KTH School
of Industrial Engineering and Management Depart-
ment of Energy Technology, Stockholm, Nov. 2011,
86 p., ISBN 978-91-7501-163-9.
12. Rahul A. Bhogare, B.S.Kothawale. A Review on ap-
plications and challenges of Nano-fluids as coolant
in Automobile Radiator, International Journal of
Scientific and Research Publications, 2013, 3 (8),
pp. 1–11, ISSN 2250–3153.
13. Rahul A. Bhogare, B.S.Kothawale. Performance in-
vestigation of Automobile Radiator operated with
Al2O3 based nanofluid, IOSR Journal of Mechani-
cal and Civil Engineering (IOSR-JMCE), 2014,
11, Iss. 3, Ver. V, pp. 23–30, e-ISSN: 2278–1684,
p-ISSN: 2320–334X,
14. Sandesh S. Chougule, S.K.Sahu, Thermal Perfor-
mance of Automobile Radiator Using Carbon
Nanotube-Water Nanofluid Experimental Study,
Journal of Thermal Science and Engineering Appli-
cations, 2014, 6, pp. 041009-1.
15. Arturo de Risi, Marco Milanese, Gianpiero
Colangelo and Domenico Laforgia, High Efficiency
Nanofluid Cooling System for Wind Turbines, Ther-
mal Science, 2014, 18 (2), pp. 543–554.
16. Timofeeva Elena V. Nanofluids for Heat Transfer —
Potential and Engineering Strategies. In: Two Phase
Flow, Phase Change and Numerical Modeling, Dr.
Amimul Ahsan (Ed.), InTech Rijeka, Croatia, 2011,
pp. 435–450, ISBN: 978–953–307–584–6.
17. Pham Q.T., Kim T.I., Lee S.S., Chang S.H., En-
hancement of critical heat flux using nano-fluids
for Invessel Retention-External Vessel Cooling,
Applied Thermal Engineering, 2012, 35, pp.
157–165.
18. US Patent 2008/0212733 A1 (376/282) — Nuclear
power plant using nanoparticles in emergency sys-
tems and related method. — Filed on March 2,
2007. Published on September 4, 2008.
19. US Patent 2008/0219396 A1 (376/282) — Nu-
clear power plant using nanoparticles in closed cir-
cuits emergency systems and related method. —
Filed on March 2, 2007. Published on September
11, 2008.
20. Pat. 100592 Ukr., MPK (2013.01) C 09 K 5/00; B
82 B 1/00, 3/00; B 82 Y 30/00. Teplonos³j na
osnov³ vodno¿ suspenz³¿ nanochastinok, B.².Bon-
darenko, V.N.Moraru., S.V.Cidorenko, V.M.Dm³t-
r³åv, O.².Hovavko, D.V.Komish, Publ. 10.01.2013,
Bull. 1. (Ukr.)
21. Bondarenko B.I., Moraru V.N., Sidorenko S.V.,
Komysh D.V. Nanofluids for Power Engineering:
Emergency Cooling of Overheated Heat Transfer
Surfaces, Technical Physics Letters, 2016, 42 (7),
pp. 675–679.
22. Tarasevich Yu.I. [The structure and surface chemis-
try of layered silicates], Kiev : Naukova Dumka,
1988, 248 p. (Rus.)
Received October 21, 2016
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2016. ¹ 4 23
|