Экспериментальное исследование тепловых характеристик выбранных масел для хранения солнечной энергии и приготовления пищи

1. Введение и обзор

Данное исследование изучает тепловые характеристики доступных на местном уровне масел в Уганде — а именно, рафинированного подсолнечного масла, рафинированного пальмового масла и промышленного минерального масла Thermia B — для применения в системах хранения солнечной тепловой энергии и сельского приготовления пищи. Основная рассматриваемая задача — определение экономически эффективного, безопасного и эффективного теплоносителя (ТН) и среды для хранения, подходящих для автономных сельских условий, где традиционные промышленные ТН непомерно дороги.

Исследование мотивировано ограничениями распространенных сред, таких как воздух (низкая теплоемкость) и вода (риск испарения при высоких температурах). Растительные масла представляют собой многообещающую альтернативу благодаря своей более высокой термической стабильности, безопасности в случае утечки и местной доступности, что соответствует целям устойчивого развития.

2. Методология эксперимента

Экспериментальный подход был разработан для оценки как статической способности удерживать тепло, так и динамической способности передавать тепло в условиях, имитирующих зарядку солнечным теплом.

2.1. Образцы масел и их свойства

Три масла были выбраны на основе местной доступности и релевантности:

Рафинированное подсолнечное масло: Распространенное растительное масло.
Рафинированное пальмовое масло: Еще одно широкодоступное растительное масло.
Thermia B: Коммерческое минеральное теплоносительное масло, используемое в качестве эталона.

Ключевые теплофизические свойства (плотность $\rho$, удельная теплоемкость $c_p$, теплопроводность $k$) были взяты из литературы (Mawire et al., 2014), показывая, что растительные масла, как правило, имеют более высокую плотность и удельную теплоемкость, чем Thermia B.

2.2. Тест на способность удерживать тепло

Основной эксперимент измерял пассивное удержание тепла. Цилиндрический бак объемом 4,5 л, изолированный и оснащенный электрическим нагревателем мощностью 1,5 кВт, заполнялся 4 л каждого масла. Масло нагревалось до температуры, близкой к точке дымления (предел безопасности и производительности). Затем нагрев прекращался, и кривая охлаждения регистрировалась в течение примерно 24 часов с использованием термопар типа K, подключенных к регистратору данных TC-08 (см. схему на рис. 1). Этот тест количественно оценивал способность масла накапливать и сохранять тепловую энергию без активной циркуляции.

Описание схемы/рисунка (Рис. 1): На схеме показан изолированный цилиндрический бак с образцом масла. Присутствует погружной нагреватель. Три термопары вставлены на разной высоте (с интервалом 5 см) для измерения температурной стратификации. Провода от термопар подключены к регистратору данных (TC-08), который соединен с компьютером для мониторинга в реальном времени и записи данных.

3. Результаты и анализ

3.1. Сравнение тепловых характеристик

Экспериментальные данные выявили четкую иерархию производительности:

Скорость нагрева

Растительные масла > Thermia B
Подсолнечное и пальмовое масло достигали целевых температур быстрее, чем минеральное масло, на фазе зарядки, что указывает на потенциально лучшее поглощение тепла в солнечном коллекторе.

Продолжительность удержания тепла

Подсолнечное масло > Пальмовое масло > Thermia B
Подсолнечное масло продемонстрировало самую низкую скорость охлаждения, сохраняя полезное тепло в течение самого длительного периода после отключения источника тепла.

Общая запасенная энергия

Подсолнечное масло > Пальмовое масло > Thermia B
Расчеты на основе кривых охлаждения и теплоемкости показали, что подсолнечное масло запасает наибольшее количество тепловой энергии на единицу объема.

3.2. Ключевые выводы и данные

Исследование окончательно определило рафинированное подсолнечное масло как наиболее подходящий кандидат среди протестированных масел для интегрированной передачи и хранения тепла в системах солнечного приготовления пищи. Его превосходная удельная теплоемкость и способность удерживать тепло напрямую приводят к более высокой эффективности системы и более длительному времени приготовления от одной зарядки. Пальмовое масло показало достойные результаты, но уступило подсолнечному. Thermia B, будучи специализированной промышленной жидкостью, оказалась менее эффективной в данном конкретном контексте применения, вероятно, из-за ее более низкой объемной теплоемкости.

Ключевой вывод: Лучшие результаты показала не специализированная промышленная жидкость, а местное пищевое растительное масло, что подчеркивает ценность технологий, соответствующих контексту.

4. Технический углубленный анализ

4.1. Математические модели и формулы

Энергия, запасенная в масле во время эксперимента, может быть смоделирована с использованием фундаментального уравнения калориметрии:

$$Q = m \int_{T_{initial}}^{T_{final}} c_p(T) \, dT$$

Где $Q$ — тепловая энергия (Дж), $m$ — масса масла (кг), а $c_p(T)$ — зависящая от температуры удельная теплоемкость (Дж/кг·К). В исследовании использовались эмпирические формулы для $c_p$ из работы Mawire et al. (2014), например, для подсолнечного масла: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.

Процесс охлаждения можно проанализировать с помощью закона охлаждения Ньютона, аппроксимируя скорость потери тепла:

$$\frac{dT}{dt} \approx -k (T - T_{ambient})$$

Где $k$ — постоянная охлаждения, зависящая от свойств масла и изоляции системы. Более медленное $dT/dt$ для подсолнечного масла указывает на более благоприятное значение $k$ для хранения энергии.

4.2. Описание экспериментальной установки

Основным аппаратом был хорошо изолированный бак для минимизации паразитных теплопотерь в окружающую среду, что обеспечивало измерение кривых охлаждения, в первую очередь отражающих внутренние свойства масла. Использование нескольких термопар позволило наблюдать тепловую стратификацию — более теплый слой над более холодным — что типично для хранения неподвижной жидкости. Система регистрации данных предоставляла высокоразрешенные временные данные о температуре, критически важные для точных расчетов энергии и сравнительного анализа.

5. Критический анализ и отраслевая перспектива

Ключевой вывод: Эта статья содержит мощный, контр-интуитивный посыл: в нише недорогого сельского хранения солнечного тепла обычный кухонный продукт (подсолнечное масло) может превзойти специально разработанную промышленную жидкость (Thermia B). Настоящий прорыв заключается не в новом материале, а в радикальном переосмыслении контекста существующего. Это смещает фокус инноваций с высокотехнологичного синтеза на умный, соответствующий контексту выбор технологий.

Логическая последовательность: Логика исследования восхитительно прямолинейна и ориентирована на применение. Она начинается с четкой, реальной проблемы (стоимость и безопасность ТН для сельского приготовления пищи), определяет соответствующие показатели производительности (нагрев, удержание, общее хранение) и создает контролируемый эксперимент, напрямую моделирующий ключевые операции системы (зарядка и пассивное охлаждение). Сравнение местных растительных масел с промышленным эталоном — его сильная сторона, обеспечивающая немедленную, практическую значимость.

Сильные стороны и недостатки:
Сильные стороны: Главная сила исследования — его прагматическая валидность. Экспериментальные условия (температуры, близкие к точке дымления, 24-часовое охлаждение) близко имитируют реальные сценарии использования. Выбор доступных на местном уровне масел гарантирует, что результаты могут быть немедленно внедрены, снижая барьеры для передачи технологий. Это согласуется с растущей областью «бережливых инноваций», документированной такими организациями, как Программа управления энергетическим сектором Всемирного банка (ESMAP).
Недостатки: Анализ в основном эмпирический и сравнительный, без глубокого погружения в причины различий в производительности. Хотя в нем приводятся данные о свойствах, он не полностью исследует молекулярные или композиционные причины, по которым подсолнечное масло превосходит пальмовое. Кроме того, в исследовании отсутствуют долгосрочные испытания на стабильность — критически важные для реальных применений. Растительные масла могут полимеризоваться, окисляться и деградировать при повторных термических циклах (явление, хорошо изученное в исследованиях фритюрных масел). Образует ли подсолнечное масло осадок после 100 циклов нагрева? Статья умалчивает об этой операционной проблеме. Также не рассматривается потенциальное влияние на качество приготовленной пищи или передачу запаха.

Практические рекомендации: Для инженеров и НПО, работающих над солнечными плитами для развивающихся регионов, задача ясна: немедленно создавать прототипы с подсолнечным маслом. Преимущество в производительности доказано. Следующая критическая фаза НИОКР должна быть посвящена испытаниям на долговечность и жизненный цикл. Сотрудничать с пищевыми химиками, чтобы понять и смягчить термическую деградацию. Исследовать простые стратегии фильтрации или добавления присадок для продления срока службы масла. Кроме того, эта работа должна стимулировать более широкий поиск материалов: если подсолнечное масло работает, то как насчет других местных, доступных в изобилии жидкостей с высокой теплоемкостью, таких как определенные масла семян или даже сахарные растворы? Исследовательская структура, установленная здесь, является идеальным шаблоном для такого систематического, специфичного для местности процесса скрининга.

6. Структура анализа и пример применения

Структура для оценки местных теплоаккумулирующих жидкостей:
Это исследование предоставляет воспроизводимую структуру для оценки любой потенциальной жидкости в конкретном социотехническом контексте. Структура состоит из четырех последовательных фильтров:

Контекстный фильтр (Доступность и безопасность): Является ли материал доступным на местном уровне, доступным по цене и неопасным (например, нетоксичным, негорючим, как вода)? Подсолнечное масло проходит; синтетическое масло может не пройти по стоимости/доступности.
Фильтр свойств (Теплофизические): Обладает ли оно высокой объемной теплоемкостью ($\rho c_p$) и рабочим температурным диапазоном? Здесь применяются данные из литературы или простые лабораторные тесты.
Фильтр производительности (Экспериментальный): Как оно фактически ведет себя в имитационной системе? Это включает тесты на нагрев и удержание тепла, описанные в статье.
Фильтр долговечности и жизненного цикла (Долгосрочный): Сохраняет ли оно производительность при повторных циклах? Каков его профиль деградации и общая стоимость жизненного цикла?

Пример применения:
НПО в Индии хочет разработать блок хранения солнечного тепла для общественного приготовления пищи. Используя эту структуру:
1. Контекст: Они определяют горчичное масло и кокосовое масло как широкодоступные, доступные по цене и безопасные при случайном контакте с пищей.
2. Свойства: Поиск в литературе показывает, что кокосовое масло имеет высокую удельную теплоемкость (~2000 Дж/кг·К) и высокую точку дымления (~177°C), что делает его перспективным.
3. Производительность: Они строят идентичную испытательную установку, как на рис. 1 статьи, сравнивая горчичное масло, кокосовое масло и базовую линию — воду. Они обнаруживают, что кокосовое масло удерживает тепло на 40% дольше, чем вода, в их целевом температурном диапазоне.
4. Долговечность: Они проводят 50 последовательных циклов нагрева-охлаждения на кокосовом масле, контролируя вязкость и кислотность. Значительное увеличение вязкости после 30 циклов указывает на необходимость замены или обработки масла, определяя протоколы обслуживания для окончательного дизайна системы.

7. Будущие применения и направления исследований

Последствия этого исследования выходят за рамки простых солнечных плит:

Каскадные солнечные тепловые системы: Хранение на основе подсолнечного масла может обеспечивать не только тепло для приготовления пищи, но и низкопотенциальное тепло для отопления помещений или предварительного нагрева воды в сельских клиниках или школах, улучшая общую экономику системы.
Интеграция с солнечными параболическими желобами: Малогабаритные параболические желобные коллекторы могли бы использовать растительные масла в качестве прямого ТН и среды для хранения, упрощая архитектуру системы для децентрализованных применений.
Гибриды материаловедения: Будущие исследования должны изучить создание «улучшенных растительных масел» с диспергированными наночастицами (например, оксид алюминия, графит) для повышения теплопроводности ($k$) без ущерба для безопасности или стоимости — концепция, исследуемая в передовых исследованиях наножидкостей (например, исследования, опубликованные в International Journal of Heat and Mass Transfer).
Оптимизированные с помощью ИИ смеси: Модели машинного обучения могут быть обучены на базах данных теплофизических свойств для прогнозирования оптимальных смесей различных местных масел, чтобы максимизировать $\rho c_p$ и минимизировать стоимость для данной климатической зоны.
Модели циркулярной экономики: Исследование использования отработанного кулинарного масла (после надлежащей обработки) в качестве среды для хранения тепла может создать убедительный цикл циркулярной экономики, дополнительно снижая затраты и отходы.

Следующий критический шаг — переход от лабораторных характеристик к проверенной в полевых условиях, долговечной конструкции системы, решая вопросы долгосрочной стабильности, которые поднимает это фундаментальное исследование.

8. Список литературы

Nyeinga, K., Okello, D., Bernard, T., & Nydal, O. J. (2017). Experimental Investigation of Thermal Performance for Selected Oils for Solar Thermal Energy Storage and Rural Cooking Application. ISES Solar World Congress 2017 Proceedings. doi:10.18086/swc.2017.14.05
Mawire, A., McPherson, M., & van den Heetkamp, R. R. J. (2014). Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems. Applied Energy, 113, 1106-1115. (Источник данных по теплофизическим свойствам).
Okello, D., Nyeinga, K., & Nydal, O. J. (2016). Experimental investigation of a rock bed thermal energy storage system for solar cooking. International Journal of Sustainable Energy.
World Bank / ESMAP. (2020). Frugal Innovation in the Energy Sector: A Guide to Doing More with Less. [Online Report].
International Energy Agency (IEA) Solar Heating and Cooling Programme (SHC). (2021). Task 58: Material and Component Development for Thermal Energy Storage. [Research Program].
Said, Z., et al. (2021). Recent advances on nanofluids for low to medium temperature solar collectors: energy, exergy, economic analysis and environmental impact. Progress in Energy and Combustion Science, 84, 100898. (Для контекста улучшения наножидкостями).