Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологий изменения теплоотдающих свойств поверхностей энергетического оборудования 7
1.1 Основные определения 7
1.2 Теоретические аспекты интенсификации теплообменных процессов на поверхностях алюминия 8
1.3 Методы интенсификации теплообмена на поверхностях энергетического оборудования 10
1.4 Использование наноматериалов для интенсификации теплообменных процессов 16
1.5 Теплофизические свойства углеродных нанотрубок 20
1.6 Патентный анализ способов изменения структуры металлических поверхностей для повышения теплоотдачи 21
1.7 Патентный анализ способов нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических покрытий 23
1.8 Краткие выводы 31
2 Метод получения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий алюминиевых поверхностей 33
2.1 Лабораторный стенд 33
2.2 Методика нанесения модифицированного наноматериалом электрохимического оксидного покрытия на поверхность алюминия 39
2.3 Влияние нанодисперсных материалов на морфологию электрохимических покрытий 43
2.4 Изменение свойств электролита анодирования алюминия при добавлении в него нанодисперсного материала 46
2.5 Изменение кинетики процесса анодирования алюминия при добавлении в электролит нанодисперсного материала 52
2.6 Краткие выводы 55
3 Исследование параметров модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий алюминиевых поверхностей 56
3.1 Проведение экспериментов 56
3.2 Измерение коэффициента теплоотдачи 57
3.3 Измерения шероховатости 84
3.4 Измерения критерия неравномерности и толщины покрытия 96
3.5 Краткие выводы 100
4 Оценка факторов интенсификации теплообмена 102
4.1 Теоретическое обоснование 102
4.2 Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчётов при математическом моделировании 105
4.3 Краткие выводы 107
Выводы
- Теоретические аспекты интенсификации теплообменных процессов на поверхностях алюминия
- Патентный анализ способов изменения структуры металлических поверхностей для повышения теплоотдачи
- Методика нанесения модифицированного наноматериалом электрохимического оксидного покрытия на поверхность алюминия
- Измерения критерия неравномерности и толщины покрытия
Теоретические аспекты интенсификации теплообменных процессов на поверхностях алюминия
Способы повышения теплоотдачи от элементов энергетического оборудования можно классифицировать следующим образом. 1. Конструктивные решения. Включают методы проектирования формы теплоотдающих поверхностей, при которых: а) увеличивается поверхность теплоотдачи; б) повышается степень турбулизации теплоносителя (хладоагента). 2. Методы, связанные с режимными параметрами. К таким методам, преследующим повышение степени турбулизации потока, относятся увеличение скорости движения, температуры и давления теплоносителя (хладоагента); воздействие на поток вибрацией и ультразвуком. 3. Методы воздействия на свойства теплоносителя (хладоагента). Выбор теплоносителей (хладоагентов) с требуемым набором теплофизических характеристик; добавка твёрдых частиц в потоки теплоносителей. 4. Решения, связанные со свойствами теплоотдающих и теплопередающих поверхностей. Включают выбор материала теплопередающего слоя с требуемым набором теплофизических характеристик; методы изменения шероховатостей поверхностей; использование пористых материалов в качестве слоя покрытия теплообменных поверхностей; создание микрорельефа на теплоотдающей поверхности; увеличение степени черноты поверхности. 5. Методы, связанные с сочетанием тепловых и иных процессов. Сочетание процессов теплопереноса и процессов фазового перехода; сочетание процессов тепло- и массопереноса и т.д.
Практически все из перечисленных методов интенсификации теплоотдачи связаны с дополнительными проблемными факторами и имеют жёсткие ограничения в использовании. Поэтому их совместное использование в различных технологических решениях чаще всего является наиболее оптимальным.
Увеличение скоростей потоков приводит не только к повышению затрат на работу нагнетателей, но и интенсифицирует акустические колебания конструкционных элементов, что провоцирует усталостные эффекты (последнее относится и к акустическим методам интенсификации теплоотдачи).
Повышение давления теплоносителей, обеспечение вибрации теплоотдающих поверхностей и использование ультразвукового воздействия существенно усложняют конструкции оборудования; при конструировании систем, передающих вибрации на большие поверхности, возникают значительные трудности; акустическое воздействие дает эффект лишь при больших акустических мощностях, которые ограничены санитарными нормами.
Размеры рёбер и игл на теплоотдающих поверхностях лимитируются тепловыми потоками через основание рёбер. Перфорированные и пористые теплоотдающие поверхности эффективны только при наличии фазовых переходов на их поверхностях. Добавка твёрдых частиц в потоки теплоносителей приводит к ускоренной эрозии теплообменных поверхностей. Терморадиационное тепловое взаимодействие значимо только при существенной разнице температур потока и теплообменной поверхностью. Возможность выбора теплоносителей с требуемым набором теплофизических характеристик существенно ограничивается требованиями безопасности (взрыво- пожароопасность, летучесть), санитарными нормами (токсичность), техническими требованиями (химическая и коррозионная активность), экологическими требованиями и экономической целесообразностью. Многообразие тепловых процессов и условий их протекания обуславливает актуальность дальнейших исследований природы и механизмов тепловых процессов, а также путей их интенсификации.
Использование рельефных поверхностей теплообмена со сферическими выемками (рисунок 1.1) позволяет повысить интенсивность теплоотдачи до 2 раз [24, 25]. Рисунок 1.1. Экспериментальный кожухопластинчатый теплообменник, имеющий поверхность теплообмена со сферическими выемками
В теплообменном оборудовании для повышения общего коэффициента теплопередачи традиционно используется оребрение теплоотдающих поверхностей (рисунок 1.2) со стороны потока с более низким значением коэффициентов теплоотдачи. В качестве примера можно привести теплообменное оборудование фирм
Как показали исследования, наибольшей эффективностью обладает игольчатое оребрение с шахматным расположением игл. Высокая эффективность теплообмена достигается за счёт срыва пограничного слоя. При этом коэффициенты теплоотдачи для игл разной формы существенно не отличаются, более значительное влияние на коэффициент теплоотдачи оказывает соотношение площадей сечения игл и площадей их обтекания. Иглы круглого сечения (рисунок 1.3) обеспечивают повышенный коэффициент теплоотдачи по сравнению с иглами других форм, хотя с учётом гидравлического сопротивления более выгодны иглы овального сечения.
Наряду с традиционными методами повышения плотности тепловых потоков в процессах теплообмена, такими, как увеличение степени турбулизации, скорости и давления потоков теплоносителей, степени черноты и профилирования теплоотдающих поверхностей, дестабилизация пограничного слоя жидкости, а также выбор теплоносителя, имеющего требуемые теплофизические характеристики, всё шире используются принципиально новые подходы (которые будут более подробно описаны ниже). К таким подходам относятся:
Патентный анализ способов изменения структуры металлических поверхностей для повышения теплоотдачи
Гальванические электролиты с распределёнными в них углеродными нанотрубками представляют из себя дисперсную систему. Такие системы, характеризующиеся слабым взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды, отличаются принципиальной неустойчивостью и склонностью к уменьшению дисперсности во времени. С заметной скоростью коагуляция начинается лишь при достижении определённой концентрации («порога коагуляции», зависящему от размера частиц). В то же время, при высокой концентрации УНТ «Таунит» в электролите, будут образовываться агломераты большой кратности. Агломераты большой кратности, во-первых, будут частично выпадать в осадок (процесс седиментации) и, во-вторых, попадая на поверхность покрываемой детали, провоцировать получение выступов гальванического покрытия слишком больших размеров.
Таким образом, ставилась задача разработать метод равномерного распределения агломератов УНТ «Таунит» в электролите и определить концентрацию наноуглеродного материала, при которой в электролите будут распределены агломераты заданных средних размеров (20 мкм). Кроме того, полученный коллоидный раствор должен быть устойчивым.
Задача равномерного распределения агломератов УНТ «Таунит» в электролите решалась с использованием ультразвукового диспергатора, барботёра или технологии «шипущих таблеток». Для определения нужной концентрации наноуглеродного материала для получения максимальной теплоотдачи от образцов с модифицированным покрытием эксперименты проводились с добавлением в электролит анодирования алюминия от 100 до 1600 мг/л порошка УНТ «Таунит». Для сравнения в качестве добавляемого углеродного материала использовались для сравнения: углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит-ГМ», технический углерод «П 324», мелкодисперсный графит «ГАК-2».
Сравнительный анализ различных видов распределения в электролите нанодисперсного материала УНТ «Таунит» был также проведён автором данной работы. При этом для распределения наноматериала использовалась технология «шипучих таблеток», барботажное перемешивание и ультразвуковая диспергация.
При анодировании использовались круглые образцы из алюминия АМг3 (табл.2.4, рис.2.7) диаметром 30 мм и толщиной 1,5 мм с хвостами-держателями, (которые после оксидирования отпиливаются) и массой 2,610-3-2,6510-3 кг.
Было доказано авторами [175], что дефекты углеродных нанотрубок являются центрами кристаллообразования металла покрытия (рис. 2.8, рис 2.9) в электрохимических процессах. Морфология покрытия изменяется в сторону значительного уменьшения межатомного расстояния в кристаллических группах металла покрытия. Отмечено, что эту особенность, можно использовать для получения уникального рельефа покрытия. Рисунок 2.8. Зарождение кристаллов цинка на углеродных нанотрубках 1.
Зарождение кристаллов никеля: 1 – на подложке; 2 – на углеродных нанотрубках; 3 – нанотрубки. Увеличение 5000х [175]. В процессе нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий алюминия было выявлено изменение их морфологии в зависимости от используемой концентрации углеродного наноматериала.
Например, на рисунке 2.10 представлены поверхности без покрытия (1), с чистым оксидным покрытием (2), с модифицированным наноматериалом оксидным покрытием при добавлении УНТ «Таунит» в количестве 100 мг/л (3), с модифицированным наноматериалом оксидным покрытием при добавлении УНТ «Таунит» в количестве 700 мг/л (4).
При фотографировании поверхностей было использовано боковое освещение, которое визуально подтвердило наличие на них конусообразных выпуклостей (не впадин). На рисунке 1 в (3) они имеют диаметр до 4-10-5, в (4) до 6-10-5 м.
Фотографии оксидных поверхностей алюминия, сделанные с увеличением 850x. Выдвигается гипотеза: добавление нанодисперсных материалов в электролит анодирования позволяет получить специфический микрорельеф оксидного покрытия, состоящий из выпуклостей с формой, близкой по форме конусу. При этом данные выпуклости распределяются по поверхности равномерно и внутри каждой из них находятся углеродные нанотрубки. Увеличение шероховатости поверхности обеспечивает увеличение коэффициента Изменение свойств электролита анодирования алюминия при добавлении в него нанодисперсного материала
Одним из важных аспектов правильного проведения процесса нанесения модифицированного наноматериалом электрохимического покрытия является поддержание в заданном диапазоне концентрации УНТ «Таунит». Был разработан оптический метод измерения концентрации углеродного наноматериала «Таунит» в растворах электролитов [176]. Он основан на непрозрачности поликристаллического графита, а его реализация базируется на измерении оптической плотности и коэффициента пропускания жидкостных растворов и определении концентрации вещества по предварительно построенному градуировочному графику.
Для использования данного метода при работе с электролитом анодирования были проведены эксперименты и получены описанные ниже результаты в виде графических зависимостей. Оценка значений оптической плотности и коэффициента пропускания производилась по ГОСТ 15150-69 фотоэлектрическим фотометром «КФК-3». Перед проведением каждого из экспериментов электролит тщательно перемешивался для равномерного распределения нанодисперсного материала.
Методика нанесения модифицированного наноматериалом электрохимического оксидного покрытия на поверхность алюминия
Приведённые экспериментальные данные показывают, что добавление УНМ «Таунит-ГМ» в электролит анодирования позволяет получить меньшее по величине увеличение коэффициента теплоотдачи и параметров шероховатости получаемых поверхностей, чем добавление УНТ «Таунит» в электролит анодирования (увеличение значения коэффициента теплоотдачи при использовании 600 мг/л УНМ «Таунит-ГМ» 13%; увеличение значения коэффициента теплоотдачи при использовании 600 мг/л УНТ «Таунит» 24% ). При этом немаловажным является экономический показатель при сравнении этих двух наноматериалов. Так, грамм УНМ «Таунит-ГМ» по состоянию на май 2014 года стоит 50 рублей. В то время как грамм УНТ «Таунит» по состоянию на май 2014 года стоит 45 р.
Расход УНМ «Таунит-ГМ» при нанесении модифицированных наноматериалов электрохимических оксидных покрытий составляет 21,65 мг/дм2. Расход УНТ «Таунит» при нанесении модифицированных наноматериалов электрохимических оксидных покрытий составляет 26,6 мг/дм2.
В связи с этим можно сделать вывод о большей целесообразности использования в качестве добавления наноматериала в электролит анодирования для повышения теплоотдачи получаемых поверхностей УНТ «Таунит».
Также следует отметить, что минимальное значение концентрации наноматериала «Таунит» в электролите анодирования, равное 540 мг/л достигается после покрытия поверхности площадью 13,9 дм2. Далее следует добавить необходимое количество наноматериала «Таунит» в электролит анодирования вновь для сохранения на должном уровне теплоотдающих свойств получаемых в процессе нанесения оксидного покрытия поверхностей.
Также, помимо УНТ «Таунит-ГМ», в качестве возможной альтернативы добавления в электролит анодирования УНТ «Таунит» было исследовано добавление порошков технического углерода «П 324» и мелкодисперсного графита «ГАК-2». Процесс нанесения модифицированных электрохимических оксидных покрытий алюминия более подробно изложен в главе 2 данной работы. Концентрация технического углерода «П 324» и мелкодисперсного графита «ГАК-2» в данной серии экспериментов составляла 600 мг/л в связи с тем, что данная концентрация давала лучшие результаты при проведении тех же экспериментов с использованием УНТ «Таунит» и УНТ «Таунит-ГМ». Распределение в электролите с помощью барботажного перемешивания установкой Resun Air Pump AC-9904. Напряжение на ванной поддерживалось в пределах 12-15 В. Плотность тока – 1,5 А/дм2.
Значение коэффициента теплоотдачи для полученных поверхностей оказалось меньше, чем при анодировании с использованием УНТ «Таунит» (рис. 3.13).
Сравнительный анализ различных видов распределения в электролите нанодисперсного материала УНТ «Таунит» также был проведён. При этом для распределения наноматериала в электролите использовалась технология «шипучих таблеток», барботажное перемешивание и ультразвуковая диспергация. За рабочую концентрацию УНТ «Таунит» было принято значение 600 мг/л в связи с тем, что использование данной концентрации в процессе нанесения модифицированных электрохимических покрытий на поверхности алюминия позволяло получить наибольшие значения коэффициента теплоотдачи и параметров шероховатости у получаемых поверхностей. Распределение УНТ «Таунит» в электролите анодирования осуществлялось с помощью ультразвуковой установки ИЛ 100-6/4. Напряжение на ванной было 12 В. Плотность тока – 1,5 А/дм2.
Полученные с применением различных способов распределения УНТ «Таунит» растворы анодирования алюминия использованы при нанесении на алюминиевые поверхности модифицированных электрохимических оксидных покрытий, полученных из электролита с использованием наноматериала. Значение коэффициента теплоотдачи оказалось максимальным при использовании ультразвукового распределения (рис. 3.14), значение критерия неравномерности минимально при барботажном перемешивании.
При исследовании влияния изменения плотности тока за контрольное было взято значение 1,5 А/дм2, которое чаще всего используется в исследуемом процессе [182-183]. Также проводились эксперименты при плотностях тока 1 А/дм2 и 2 А/дм2. При этом, в процессе нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий алюминия в качестве углеродной добавки использовался УНМ «Таунит» (концентрация 600 мг/л), который распределялся в электролите с помощью ультразвуковой установки ИЛ 100-6/4.
На рисунке 3.15 представлено изменение значения коэффициента теплоотдачи у модифицированных электрохимических оксидных покрытий, полученных из электролитов с использованием наноматериала (концентрация УНТ «Таунит» в электролите анодирования 600 мг/л) при плотностях тока 1 А/дм2, 1,5 А/дм2, 2 А/дм2 по сравнению с чистыми неоксидированными покрытиями. Было установлено, что наибольшее изменение значения коэффициента теплоотдачи у поверхностей, полученных путём нанесения модифицированных электрохимических оксидных покрытий, полученных из электролита с добавлением наноматериала, при плотности тока 1,5 А/дм2. Обобщённая таблица результатов измерений рассматриваемых экспериментов приведена ниже (Табл. 3.6). Параметры ультразвукового аппарата, барботёра, технологии «шипучих таблеток» представлены во второй главе настоящей работы.
Измерения критерия неравномерности и толщины покрытия
Повышение интенсификации теплообмена можно объяснить влиянием двух факторов: а) повышением площади теплообменной поверхности; б) образованием в приповерхностной части теплового пограничного слоя, соответствующего высоте выступов рельефа поверхности.
Повышение площади теплообменной поверхности в данном случае рассчитываются, исходя из следующих допущений. Пусть элементы рельефа представляют собой конусы с радиусом основания r, высотой h и занимают долю поверхности f, а высота профиля исходного рельефа h0 h. Тогда доля объёма элементов рельефа в объёме слоя толщиной превышения рельефа над высотой исходных шероховатостей (на единицу площади теплообменной поверхности) равна: Vk r 3 v o; I A J / Г /z—/z0 1 vro=—=/ Vs n-r2-h З У h ) где rt - доля объёма элементов рельефа в объёме слоя, Vk - объем элементов рельефа, Vs - общий объем слоя с толщиной рельефа, превышающей высоту исходных шероховатостей.
Повышение площади теплообменной поверхности при этом составляет отношение разности площадей боковых поверхностей конусов, превышающих уровень шероховатостей, и площадей их оснований на уровне шероховатостей к площади их оснований на уровне теплообменной поверхности на единице площади теплообменной поверхности: где s - относительное повышение площади поверхности теплообмена, S6 -суммарная площадь поверхности элементов рельефа (конусов), So - суммарная площадь оснований элементов рельефа (конусов), Sos - площадь теплообменной поверхности при отсутствии элементов рельефа (конусов).
Оценим далее интенсификацию теплообмена за счёт формирования микрорельефа теплообменной поверхности при нанесении наномодифицированных гальванических покрытий.
Так как теплопроводность материала, образующего теплообменную поверхность, как правило, существенно выше теплопроводности жидкости или газа, образующих тепловой пограничный слой, то для части пограничного слоя с толщиной, равной высоте рельефа поверхности, эквивалентная теплопроводность также будет существенно выше теплопроводности неподвижной жидкости. Интенсификация теплообмена может быть определена по относительному изменению коэффициента теплоотдачи: где 1 - коэффициент теплоотдачи к поверхности с наномодифицированным покрытием, - коэффициент теплоотдачи к исходной поверхности покрытию.
Коэффициент теплоотдачи может быть определён по критериальному уравнению, соответствующему условиям теплоотдачи. Например, при движении потока вещества по прямолинейному цилиндрическому каналу коэффициент теплоотдачи к стенке канала в турбулентном режиме определяется из уравнения w - средняя скорость потока, м/с; d - диаметр (эквивалентный) канала, м; c, р, цД - соответственно теплоёмкость, Дж/(кгК), плотность, кг/м3, динамическая вязкость, Па-с, теплопроводность, Вт/(мК) вещества при температуре потока.
Уравнение (1) верно для значений Re 10 000. Коэффициент теплоотдачи а1 может быть определён как величина, обратная сумме термических сопротивлений теплового пограничного слоя толщины слоев, составляющих тепловой пограничный слой, м; li теплопроводности слоев, составляющих тепловой пограничный слой, Вт/(мК). Общая толщина теплового пограничного слоя, м, может быть оценена: а Для сравнения, ориентировочная толщина ламинарного пограничного гидродинамического слоя, м:
Тепловой пограничный слой включает две составляющих: одна образована веществом потока, другая имеет толщину, соответствующую высоте элементов рельефа поверхности и включает как элементы рельефа, так и вещество потока между ними. данных с результатами расчётов при математическом моделировании
Выше описана модель и методика расчёта коэффициента теплоотдачи для модифицированных наноматериалом электрохимических покрытий. Также показано, что увеличение коэффициента теплоотдачи возможно вследствие повышения площади теплообменной поверхности из-за образования конических выступов гальванического покрытия и образования в приповерхностной части теплового пограничного слоя.
При полученных экспериментально значениях высоты шероховатостей исходной теплообменной поверхности h0 = 10 10"6 м; высоты рельефа наномодифицированной теплообменной поверхности h = ЗО-10"6 м и доли поверхности, занятой конусами f = 20%, рассчитаем повышение площади теплообменной поверхности.