Εδώ και πάνω από δύο δεκαετίες, ένα από τα θέματα στα οποία έχει στραφεί το ενδιαφέρον της έρευνας στην περιοχή της θερμικής μηχανολογίας είναι και η ανάπτυξη νέων, προηγμένων εργαζόμενων ρευστών με προσθήκη στερεών σωματιδίων σε ένα υγρό (ρευστό βάσης). Τα σωματίδια αυτά που αποτελούνται από στερεό υλικό, που μπορεί είτε να αλλάζει είτε να μην αλλάζει φάση, έχουν στόχο την βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας σε σχετικές διατάξεις (όπως εναλλάκτες θερμότητας, εγκαταστάσεις ψύξης ή κλιματισμού, συστήματα θερμοκρασιακού ελέγχου ηλεκτρονικού εξοπλισμού κλπ.), μέσω της αύξησης της θερμικής αγωγιμότητας του ρευστού βάσης, αλλά και της ειδικής θερμοχωρητικότητάς του. Όταν τα σωματίδια που προστίθενται αποτελούνται από υλικό αλλαγής φάσης (ΥΑΦ), τότε το ρευστό λειτουργεί ταυτόχρονα και ως ρευστό μεταφοράς θερμότητας, αλλά και ως μέσο αποθήκευσης θερμότητας.
Για την καλύτερη απόδοση τέτοιων σωματιδίων, είναι αναγκαία η ενθυλάκωσή τους σε κατάλληλο κέλυφος και, καθότι αυτά στην πιο διαδεδομένη μορφή τους αρχικά είχαν μέγεθος της τάξεως των μικρομέτρων, τα ρευστά που προέκυψαν ονομάζονταν «πολτός μικροενθυλακωμένου υλικού αλλαγής φάσης» (Micro-encapsulated phase change material slurry ή MCPS).
Η μικροενθυλάκωση του ΥΑΦ επιτρέπει την αντιμετώπιση μιας σειράς προβλημάτων κατά την χρήση των ΥΑΦ, όπως διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών, αποσύνθεση του υλικού, υπόψυξη (subcooling) και την διάλυση του ΥΑΦ στο ρευστό βάσης. Επιπλέον, προσφέρεται με αυτό τον τρόπο και μεγάλη επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, ενώ η πρόσδοση και η απόδοση της αποθηκευόμενης στο ΥΑΦ θερμότητας γίνεται σε συνθήκες μεγάλης θερμοκρασιακής σταθερότητας.
Επιπλέον, όταν το μέγεθος των διασπαρμένων σωματιδίων είναι στην νανοκλίμακα, χρησιμοποιείται για συντομία ο όρος NEPCM (Nano-encapsulated PCM), ενώ το ρευστό που προκύπτει χαρακτηρίζεται ως πολτός (slurry).
Με την διασπορά των νανοσωματιδίων στο ρευστό βάσης (base ή carrier fluid) είναι δυνατή η κυκλοφορία τους μέσω αντλιών και σωληνώσεων σε θερμο-υδραυλικές εγκαταστάσεις και η μεταφορά της αποθηκευμένης θερμότητας, όπως απεικονίζεται σχηματικά στην παρακάτω εικόνα. Το Εργαστήριο Ηλιακών & άλλων Ενεργειακών Συστημάτων (ΕΗ-ΕΣ) του ΕΚΕΦΕ «Δ» έχει ήδη εδώ και χρόνια ξεκινήσει την διερεύνηση τέτοιων ρευστών για χρήση σε συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα. Αρχικά μελετήθηκαν υπολογιστικά ροές νανορευστού με μονοφασικά, μεταλλικά σωματίδια σε σωλήνες παραβολικού συλλέκτη, ενώ στη συνέχεια η έρευνα επεκτάθηκε στη σύνθεση ρευστών με μικρο-ενθυλακωμένα υλικά αλλαγής φάσης, σε συνεργασία με εξειδικευμένα εργαστήρια του εξωτερικού :
- Kaloudis E., Papanicolaou E. and Belessiotis V., “Numerical simulations of a parabolic trough solar collector with nanofluid using a two-phase model”, Renewable Energy 97, pp 218-229, 2016.
- Ram, M. K., Myers, P. D., Jotshi, C., Goswami, D. Y., Stefanakos, E. K., Arvanitis, K. D., Papanicolaou, E. & Belessiotis, V., “Microencapsulated dimethyl terephthalate phase change material for heat transfer fluid performance enhancement”, International Journal of Energy Research, vol. 41(2), pp. 252-262, 2017.
Μια πρώτη προκαταρκτική πειραματική διερεύνηση είχε ήδη ξεκινήσει στο ΕΗ-ΕΣ στο πρόσφατο παρελθόν , για ροή λαδιού σε αγωγούς διαφορετικών γεωμετριών που απαντώνται σε συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα με επίπεδη απορροφητική επιφάνεια. Η πειραματική αυτή διάταξη έγινε σε κλειστό χώρο και η θέρμανση γινόταν με ηλεκτρική πηγή θερμότητας. Στα πλαίσια του παρόντος έργου ο στόχος ήταν η επέκταση αυτής της δραστηριότητας με ανάπτυξη υποδομής σε εξωτερικό χώρο για ρευστά με τα διεσπαρμένα σωματίδια νανο-ενθυλακωμένου PCM (NEPCM) και με θέρμανση από συγκεντρωτικό ηλιακό συλλέκτη. Η εγκατάσταση που σχεδιάστηκε αφορά θέρμανση λαδιού από παραβολικό ηλιακό συλλέκτη και παριστάνεται σχηματικά στην Εικόνα 1. Αποτελείται από δύο ξεχωριστά κυκλώματα, που συνδέονται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας. Στο πρωτεύων κύκλωμα (κόκκινο χρώμα) τα κύρια εξαρτήματα είναι ο ηλιακός συλλέκτης και η δεξαμενή αποθήκευσης/ανάμειξης, ενώ το δευτερεύον (μπλε χρώμα) περιέχει την ψυκτική μονάδα που αντιπροσωπεύει ένα θερμικό φορτίο (την κατανάλωση δηλαδή της θερμικής ενέργειας). Η θερμότητα μεταφέρεται από τον ηλιακό συλλέκτη στο εργαζόμενο ρευστό (π.χ. βασικό λάδι ή πολτός NEPCM), στη συνέχεια μεταφέρεται στο δευτερεύον κύκλωμα μέσω του εναλλάκτη θερμότητας και, τέλος, απελευθερώνεται στο περιβάλλον μέσω του ψύκτη αέρα-λαδιού (cooler). Δυνητικά, στα δύο κυκλώματα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το ίδιο ή διαφορετικό ρευστό και το ποιά από τις δύο επιλογές είναι πιο αποτελεσματική αποτελεί θέμα διερεύνησης. Ωστόσο, η κύρια μελέτη του πολτού NEPCM λαμβάνει χώρα κυρίως στο πρωτεύον κύκλωμα, όπου το ενδιαφέρον εστιάζεται στην δυνητική βελτίωση της απόδοσης του συλλέκτη. Το δευτερεύον χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση των θερμικών φορτίων στο πρωτεύον κύκλωμα και την απαγωγή της ηλιακής θερμότητας που απορροφάται από τον συλλέκτη. Εάν απαιτείται, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί του συλλέκτη ένα «δοκίμιο δέκτη» πανομοιότυπο με τον ηλιακό για την αποφυγή των δυσκολιών που σχετίζονται με τον πραγματικό δέκτη (μη ελεγχόμενη πρόσδοση ηλιακής ενέργειας, ανομοιόμορφη μεταφορά θερμότητας κ.λπ.).
