СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ С ПОМОЩЬЮ МИКРОТУРБУЛИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ Российский патент 2014 года по МПК F28F13/02 F28F21/02 B81B1/00 

Изобретение относится, в общем, к области теплотехники и гальванотехники и, конкретнее, к системе повышения теплоотдачи на различных поверхностях устройства теплопередачи.

Традиционная технология улучшения тепловой эффективности касается увеличения площади поверхностей теплоотдачи. Увеличение площади поверхности может быть достигнуто посредством обеспечения множества ребер, выступов или углублений, например, на поверхностях теплоотдачи, приводящих к увеличению суммарного потока тепла на единицу площади (базовой площади поверхности) устройства теплопередачи, получая в результате уменьшение размера и стоимости устройства теплопередачи или увеличение суммарной мощности устройства.

Другими традиционными технологиями улучшения термической эффективности являются способы, предусматривающие турбулизаторы течения или перегородки на поверхностях теплопередачи. Однако обеспечение турбулизаторов течения или перегородок приводит к увеличенным потерям давления в устройстве теплопередачи.

Таким образом, существует потребность в способе увеличения термической эффективности в устройстве теплопередачи, в то же время поддерживая компактный размер и приемлемые потери давления.

Известен способ изменения теплоотдающих свойств поверхностей, в котором используются механическая обработка изделий для получения микроструктурированных покрытий [1] (Патент США №6894409, F28F 13/18; F28F 3/00; F28F 13/00; F28F 13/02; F28F 1/10; F28F 3/04; F28F 013/12, 2005 г.). Согласно патенту обработка изделий из листового алюминия со структурированной поверхностью служит для улучшения свойств теплопередачи. Множество структурированных частей с размерами 1-50 микрометров располагаются на одной или обеих сторонах листа. Такой алюминиевый лист может быть использован как ребра или трубки теплообменника.

Недостатком этого способа является техническая сложность реализации способа на практике.

Другим способом является периодическое расположение на поверхности турбулизаторов с высотой, примерно равной толщине приграничного слоя теплоносителя [2] (Патент РФ №2178132, МКИ F28F 1/42, 1999 г.). Согласно патенту интенсификация теплоотдачи достигается периодическим расположением в каналах плавно очерченных турбулизаторов с высотой, примерно равной толщине пограничного слоя теплоносителя, и шагом, примерно равным эквиваленту канала. При этом критерием энергетической эффективности служит примерное равенство роста отношения коэффициентов сопротивления и роста коэффициента теплоотдачи соответственно каналов с турбулизаторами и гладких каналов.

Недостатком этого способа также является техническая сложность реализации способа на практике.

Известен также способ повышения теплоотдачи с использованием устройства для модуляции колебаний потока жидкости. Сущность изобретения: на теплообменную поверхность подают жидкость в виде пленки с одновременной модуляцией в ней колебаний, а модуляцию колебаний осуществляют путем периодического прерывания расхода жидкости с частотой f/f₀=(0,6-1,7), где f - частота модулируемых возмущений, f₀ - собственная частота колебаний пленки жидкости [3] (Патент РФ №2053480, МПК F28F 13/10, 1996 г.).

Такой способ требует сложного аппаратурного оснащения и неприменим для растворов с изменяющимися характеристиками, что делает сложной техническую реализацию его на практике.

Недостатки перечисленных выше способов частично устранены в способе нанесения металлического покрытия, основанном на сочетании слоев толщиной 0,003-0,017 дюймов, ввиду чего увеличивается шероховатость поверхности [4]. (Патент США №6644388, МКИ С23С 4/12; С23С 30/00; С23С 4/08; F28F 13/18; F28F 13/00; F23M 5/00; В32В 018/16; B22F 007/04; С23С 004/12, 2003 г.). Образец включает основу и внешний металлический слой, такой как покрытие, оснащенное увеличенной теплоотдачей от основы за счет сочетания слоев толщиной около 0,003" до 0,017", шероховатости поверхностного слоя с индексом как минимум порядка 500 микродюймов, прочности на разрыв эластичного покрытия, по крайней мере, около 5 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Увеличение теплоотдачи в результате как минимум в 1,1 раз. Способ получения такого образца включает процесс термического распыления объединенных вольтовых дуг, в котором давление распыляемого газа поддерживается в пределах 20-80 Пси.

Основным недостатком данного способа, помимо технической сложности реализации на практике, является сравнительно небольшое улучшение коэффициента теплоотдачи (в 1,1 раза).

Ввиду перечисленных недостатков эти способы не нашли достаточного применения в производстве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является техническое решение [5] (Патент РФ №2447386, F24H 4/00, F28F 13/02, 2007 г.). Способ предусматривает повышение теплопередачи путем прикрепления на одну или более стенку теплопередачи множества микротурбулизирующих частиц, используя связывающую среду. Согласно патенту множество микротурбулизирующих частиц содержит никель, кобальт, алюминий, кремний, или железо, или медь, или их сплавы, или комбинацию, включающую любое из вышеприведенного, а связывающая среда содержит эпоксидную смолу, или металлическую фольгу, или мягкий припой, или твердый припой, или свариваемый материал, или их комбинацию. Технический результат - повышение теплопередачи.

Недостаток такого способа заключается в недостаточной эффективности, обусловленной применением связывающей среды, которая в месте перехода от микротурблулизирующей частицы к стенке теплопередачи создает высокое термическое сопротивление, сводящее на нет эффект от микротурбулизации. Другим недостатком является сложность реализации такого способа.

Задачей изобретения является повышение эффективности теплоотдачи.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии нанесения на теплопередающие алюминиевые поверхности микротурбулизаторов.

Поставленная задача решается способом повышения теплоотдачи с помощью микротурбулизирующих частиц путем прикрепления множества микротурбулизирующих частиц на теплоотдающую поверхность, используя связывающую среду, причем в качестве микротурбулизирующих частиц используют углеродные нанотрубки (УНТ) «Таунит», а качестве связывающей среды - оксидные гальванические покрытия.

Прикрепление множества микротурбулизирующих частиц на теплоотдающую поверхность осуществляют с помощью нанесения оксидных покрытий, наномодифицирование которых осуществляют введением в электролит оксидирования УНТ «Таунит» с помощью ультразвукового диспергатора.

Использование в качестве микротурбулизирующих частиц углеродных нанотрубок (УНТ) «Таунит», а в качестве связывающей среды - оксидированных гальванических покрытий обеспечивает:

- Эффективную турбулизацию потока на теплоотдающей поверхности за счет уменьшения термического сопротивления на линии раздела теплоотдающей поверхности и микотурбулизатора;

- Упрощение технологии прикрепления микротурбулизаторов к теплоотдающей поверхности;

- Возможность обработки этим способом поверхностей алюминия;

- Возможность использования серийного оборудования.

В качестве нанодисперсного материала используют фуллереноподобные углеродные нанотрубки (УНТ) - наноуглеродный материал, зарегистрированный под торговой маркой «Таунит», который производится в ООО «НаноТехЦентр». УНТ «Таунит» представляет собой длинные полые волокна, состоящие их графеновых слоев фулерреноподобной конструкции.

Таблица 1 Общая характеристика серии УНМ «Таунит» Углеродный наноматериал «Таунит» Параметры Значения Наружный диаметр, нм 20÷70 Внутренний диаметр, нм 5÷10 Длина, мкм 2 и более Общий объем примесей, % (после очистки) до 5 (до 1) Насыпная плотность, г/см³ 0,4÷0,6 Удельная геометрическая поверхность, м²/г 120÷130 и более Термостабильность, °С До 600

Весь процесс нанесение оксидного покрытия состоит из следующих этапов:

1. Подготовка растворов для обезжиривания, травления, осветления, анодного оксидирования и уплотнения:

а. Водной раствор для обезжиривания состоит из 35-45 г/л тринатрийфосфата, 35-45 г/л кальцинированной соды, 10-14 г/л композиции «ЭКОМЕТ-012у».

б. Водной раствор для травления состоит из 65-75 г/л гидроксида натрия, 3-5 г/л композиции «ЭКОМЕТ-А180».

в. Водной раствор для осветления состоит из 145-155 г/л серной кислоты, 3-5 г/л композиции «ЭКОМЕТ-А180».

г. Водной раствор для анодного оксидирования состоит из 190-210 г/л серной кислоты, 26-28 г/л композиции «ЭКОМЕТ-А200», 100-1600 мг/л порошка УНТ «Таунит» (эксперименты проводились при разных концентрациях в данном диапазоне с шагом 300 мг/л). Перемешивание порошка производится в ультразвуковом диспергаторе в течение 4-6 минут.

д. Водной раствор для уплотнения состоит из 90-110 мг/л композиции «ЭКОМЕТ-А210».

2. Подогрев раствора для обезжиривания до температуры 60-70°С и обезжиривание образца в нем в течение 10-12 минут.

3. Промывка образца в теплой воде (40-60°С) в течение 1-2 минут.

4. Подогрев раствора для травления до температуры 50-70°С и травление образца в нем в течение 4-5 минут.

5. Промывка образца в теплой воде (40-60°С) в течение 1-2 минут.

6. Промывка образца в холодной воде (20-25°С) в течение 1-2 минут.

7. Осветление образца при температуре 20-25°С в течение 4-5 минут.

8. Промывка образца в холодной воде (20-25°С) в течение 1-2 минут.

9. Анодное оксидирование образца при температуре 18-22°С в течение 20-22 минут при силе тока 0,106 А. (при этом анодирование выполняется с одной стороны образца).

10. Выдержка образца без тока в электролите (растворе для анодного оксидирования) 30-60 секунд.

11. Промывка образца в холодной воде (20-25°С) в течение 1-2 минут.

12. Уплотнение образца при температуре 20-25°С в течение 15-17 минут.

13. Сушка образца феном при температуре 60-65°С.

Для пояснения изобретения описаны примеры осуществления данного метода.

Пример.

Электрохимическое оксидирование проводилось на предварительно подготовленную поверхность основы из материала алюминий АМг3 в электролите:

- Серная кислота - 200 г/л.

- Композиция «ЭКОМЕТ-А200» - 27 г/л.

- Порошок УНТ «Таунит» - 100 мг/л.

После введения в раствор электролита наноуглеродного материала «Таунит» электролит обрабатывают в ультразвуковом диспергаторе с частотой 22 кГц. Интенсивность ультразвуковой обработки:

- амплитуда 80 мкм;

- интенсивность звука 786 Вт/см².

При анодировании использовались круглые образцы из алюминия АМг3 диаметром 28 мм, толщиной 1,6 мм и массой 2,6·10^-3-2,65·10^-3 кг.

Процесс проводится при плотности тока 1,5 А/дм при температуре 18-22°С в течение 20 минут. Получаемое покрытие беспористое и равномерно распределено по поверхности образца. Толщина покрытия составила 11,4-12,2 мкм.

Шероховатость полученного покрытия, измеренная портативным измерителем шероховатости «TR210» по четырем параметрам (Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам, Rq - среднеквадратическое отклонение профиля, Rt - общая высота между наибольшим пиком и впадиной профиля), значительно превзошла по значениям шероховатость чистого неоксидированного алюминиевого покрытия. У чистого неоксидированного покрытия: Ra=0,49; Rz=2,8894; Rq=0,7302; Rt=3,363. Значения брались путем вычисления среднего арифметического значения с нескольких точек поверхности. У полученного наномодифицированного оксидированного покрытия: Ra=0,924 (увеличение на 88,54%); Rz=5,9658 (увеличение на 106,47%); Rq=1,2186 (увеличение на 66,886%); Rt=8,799 (увеличение на 161,6%).

Значение коэффициента теплоотдачи к воздуху у полученного покрытия выше, чем у чистого неоксидированного покрытия алюминия на 16% при скорости потока воздушной среды 1 м/с и температуре 40-100°С; на 19% при скорости потока воздушной среды 3 м/с и температуре 40-100°С и на 22% при скорости потока воздушной среды 5 м/с и температуре 40-100°С. Эти показатели превосходят те, что заявлены в прототипе.

Это позволяет использовать предложенный метод в теплотехнике взамен уже известных методов изменения теплоотдающих поверхностей.

Таблица 2 Значения коэффициента теплоотдачи чистых неоксидированных и наномодифицированных оксидированных алюминиевых поверхностей при скоростях обдува 1, 3, 5 м/с и температуре 40-100°С. Концентрация УНТ «Таунит», мг/л Скорость обдува     1 м/с 3 м/с 5 м/с 0 40-44 Вт/(м²·К) 65-86 Вт/(м²·К) 91-113 Вт/(м²·К) 700 46-515 Вт/(м²·К) 76-101 Вт/(м²·К) 110-135 Вт/(м²·К)

Изобретение относится к области теплотехники и гальванотехники и может использоваться в системах повышения теплоотдачи для улучшения характеристик теплоотдачи на различных поверхностях устройства теплопередачи. Это достигается использованием в качестве микротурбулизирующих частиц углеродных нанотрубок (УНТ) «Таунит», а в качестве связывающей среды - оксидных гальванических покрытий. Прикрепление множества микротурбулизирующих частиц на теплоотдающую поверхность осуществляют с помощью нанесения оксидных покрытий, наномодифицирование которых осуществляют введением в электролит оксидирования УНТ «Таунит» с помощью ультразвукового диспергатора. Данный способ обеспечивает интенсификацию теплообменных процессов на теплоотдающих алюминиевых поверхностях, а также простоту реализации. 2 табл., 1 з.п. ф-лы.

1. Способ повышения теплоотдачи с помощью микротурбулизирующих частиц путем прикрепления множества микротурбулизирующих частиц на теплоотдающую поверхность, используя связывающую среду, отличающийся тем, что в качестве микротурбулизирующих частиц используют углеродные нанотрубки (УНТ) «Таунит», а в качестве связывающей среды - оксидные гальванические покрытия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прикрепление множества микротурбулизирующих частиц на теплоотдающую поверхность осуществляют с помощью нанесения оксидных покрытий, наномодифицирование которых осуществляют введением в электролит оксидирования УНТ «Таунит» с помощью ультразвукового диспергатора.