Αφροί ανοιχτής κυψέλης:υποσχόμενα υλικά στη μετατροπή και χρήση ενέργειας σε υψηλές θερμοκρασίες
Υλικά ανοιχτής κυψέλης, όπως μέταλλο και κεραμικοί αφροί, έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας λόγω του μικρού βάρους, της καλής ικανότητας ανάμειξης ροής και της ικανότητας κάλυψης μεγάλης επιφάνειας. Συνήθως αποτελούνται από διασυνδεδεμένες συμπαγείς αντηρίδες και προσβάσιμους κενούς χώρους, όπως φαίνεται στην Εικ. 1.
Δεδομένου ότι οι αφροί ανοιχτής κυψέλης διαθέτουν εξαιρετικά δομικά χαρακτηριστικά και μπορούν να είναι ανεκτικοί σε υψηλές θερμοκρασίες (αφροί νικελίου άνω των 1400 K και αφροί αλουμίνας άνω των 2000 K), προσελκύουν σήμερα την προσοχή ως υλικά πλήρωσης σε διάφορες θερμικές εφαρμογές, όπως ογκομετρικοί ηλιακοί δέκτες. πορώδεις καυστήρες, θερμοχημικούς αντιδραστήρες και εναλλάκτες θερμότητας. Οι αφροί ανοιχτής κυψέλης, ως απορροφητές της συγκεντρωμένης ηλιακής ακτινοβολίας, είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς στη χρήση της ηλιακής ενέργειας (βλ. Εικόνα 2).
Τα αέρια τροφοδοσίας μπορούν να θερμανθούν σε περισσότερο από 1300 K όταν περάσουν μέσα από τους πορώδεις απορροφητές που ακτινοβολούνται από τη συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία. Έτσι, αυτή η τεχνική έχει γίνει πολλά υποσχόμενη στη θερμική πρόωση των διαστημικών σκαφών. Επί του παρόντος, μεγάλες δυνάμεις διεξάγουν έρευνα σε αυτόν τον τομέα.
Σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία είναι θεμελιώδους σημασίας. Είναι ένα είδος πολύπλοκης λειτουργίας μεταφοράς θερμότητας που περιλαμβάνει φαινόμενα εκπομπής, απορρόφησης και σκέδασης. Ως ουσιαστική φύση, οι ιδιότητες ακτινοβολίας των αφρού ανοιχτής κυψέλης διαδραματίζουν θεμελιώδη ρόλο σε συναφή πεδία που περιλαμβάνουν υπολογισμούς και εφαρμογές. Ωστόσο, οι μετρήσεις και η μοντελοποίηση των ποσοτήτων ακτινοβολίας είναι συνήθως πολύπλοκες όταν εξετάζονται πολυφασικά υλικά. Στις μετρήσεις, το σήμα ακτινοβολίας θα γίνει πολύ θορυβώδες και ασθενές μετά την αλληλεπίδραση με υλικά υψηλού πόρου λόγω της συμπεριφοράς έντονης σκέδασης. Στην αριθμητική μοντελοποίηση, είναι δύσκολο να οριστούν ακριβείς ιδιότητες ακτινοβολίας σε επίπεδο πόρων από προσομοιώσεις διακριτού επιπέδου.
Εν τω μεταξύ, αρκετοί βασικοί παράγοντες επηρεάζουν επίσης την έρευνα, όπως η θερμοκρασία, το μήκος κύματος και τα εξαρτήματα. Ακόμα κι έτσι, πολλοί ερευνητές εξακολουθούν να έχουν μελετήσει σε αυτόν τον τομέα για δεκαετίες. Μέχρι στιγμής, έχουν αναπτυχθεί αρκετές αποτελεσματικές μέθοδοι. Για παράδειγμα, μια μέθοδος υπολογισμού μέσης ελεύθερης διαδρομής και κατανομής σκέδασης έχει αποδειχθεί έγκυρη για τη λήψη των ιδιοτήτων ακτινοβολίας πολυφασικών μέσων. Επιπλέον, μια μέθοδος multi-RTE δείχνει μια πλήρη μαθηματική βάση και φυσική αρχή για τον ακτινοβολικό χαρακτηρισμό πολυφασικών μέσων.
Η εργασία του καθηγητή Xia και της ομάδας του στοχεύει στον προσδιορισμό των βασικών ιδιοτήτων ακτινοβολίας των αφρωδών υλικών για την καλύτερη αξιοποίησή τους. Έχουν καθιερώσει προηγμένα αριθμητικά μοντέλα για την εξαγωγή χαρακτηριστικών ακτινοβολίας από δομές σε επίπεδο πόρων που λαμβάνονται από τεχνικές SEM και μ-CT ακτίνων Χ ή από αλγόριθμους που καθορίζονται από τον χρήστη. Επίσης, έχουν πραγματοποιήσει πολλά ελκυστικά πειράματα υψηλής θερμοκρασίας σε δέκτες ηλιακής ενέργειας και εναλλάκτες θερμότητας. Η εργασία τους παρείχε κρίσιμες πληροφορίες για το πώς να επιλέξετε ένα καλύτερο πορώδες υλικό σε θερμικές εφαρμογές και ποια αποτελέσματα θα έρθουν μετά την επιλογή αυτού του υλικού.
Ο Yang Li, ως μέλος της ομάδας του Prof. Xia, έχει επικεντρωθεί στον πολυκλιμακωτό και πολυφασματικό μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας ακτινοβολίας των αφρού ανοιχτής κυψέλης τα τελευταία 4 χρόνια. Το έργο του στοχεύει να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες και βαθύτερη κατανόηση της μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία των πορωδών υλικών. Πρόσφατα ερεύνησε τις ιδιότητες ακτινοβολίας μεταλλικών και κεραμικών αφρού με ένα προγνωστικό μοντέλο. Οι απαραίτητες ιδιότητες όπως οι συντελεστές απόσβεσης, τα άλμπεδο σκέδασης και η συνάρτηση φάσης σκέδασης έχουν προσδιοριστεί για ένα σύνολο αφρού νικελίου και αλουμίνας. Τόσο από τη μακρο όσο και από τη μικροκλίμακα, μια περιεκτική μελέτη μπορεί να βρεθεί στο έργο του Δρ. Λι.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Tomography-based radiative transfer analysis of a open-cell foam made of semitransparent alumina ceramics, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Solar Energy Materials and Solar Cells . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Yang Li, Xin-Lin Xia, Chuang Sun, Jing Wang και He-Ping Tan από το Harbin Institute of Technology, P.R. China.
