СПОСОБ И СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОКРЫТИЙ НА ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЯХ В ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ
METHOD AND COMPOSITION FOR PRODUCING NANOCOATINGS ON STEAM GENERATING SURFACES IN HEAT PIPES

Изобретение относится к способу формирования нанопокрытий в испарителях, например, тепловых труб и к составу наномодифицированного теплоносителя, реализующего этот способ, для использования в тепловой трубе, в частности контурных тепловых трубах и термосифонах, например, для охлаждения светодиодных модулей. Более конкретно, настоящая заявка на изобретение относится к способу использования определенного состава наноструктуированной смеси, представляющей собой теплоноситель для тепловой трубы, для улучшения ее термодинамической эффективности, причем смесь имеет широкий температурный диапазон использования, невоспламеняема, нетоксична, не портится после длительного применения и дешева.
Уровень техники
До настоящего времени в качестве теплоносителей тепловых труб используют в основном чистые вещества такие как вода, аммиак, ацетон, спирты, фреоны (для низких температур) и некоторые жидкие металлы для высоких температур. Иногда используют смеси веществе целью увеличить температурный диапазон использования теплоносителя. В основном используют ряд соединений фреона, вода, глицерин, водные растворы едкого натра, водные растворы ванадата. Эти смеси, представляющие собой теплоносители, имеют, соответственно, как достоинства, так и недостатки.
В настоящем техническом решении предлагается в качестве теплоносителя состав, который при реализации заявленного способа интенсифицирует теплообмен в тепловых трубах и других подобных теплопередающих устройствах, использующих фазовое превращение жидкости в пар, за счет добавок наночастиц в теплоноситель и с последующим их осаждением на парогенерирующих поверхностях при работе теплопередающего устройства путем добавления в теплоноситель соответствующего поверхностно-активного вещества (ПАВ).
Проблема описания явления формирования покрытия на поверхности парообразования в ходе кипения и его влияния на процесс кипения и кризис связана с изучением физико-химических свойств поверхности и влияния поверхностных явлений на процесс формирования морфологии слоя. До настоящего момента теории этого влияния не создано; исследования по этому вопросу, как правило, носят сугубо эмпирический характер. Использование и подбор наночастиц и ПАВ является трудоемкой экспериментальной задачей, требующей большого числа экспериментов.
Суспензии на основе наночастиц твердой фазы называются наножидкостями. Впервые термин «наножидкость» был введен в оборот в Аргоннской Национальной лаборатории (США) группой исследователей под руководством Стивена Чой в 1995 году. С тех пор ведутся активные исследования свойств наножидкостей и особенностей теплообмена в них. Был замечен рост теплопроводности НЖ относительно базовой жидкости при больших концентрациях наночастиц, что способствует некоторой интенсификации теплоотдачи при однофазной конвекции. Однако стоит отметить, что на критическую плотность теплового потока (КТП) данное повышение теплопроводности влияет пренебрежимо мало.
При использовании частиц нанометрового диапазона они подвержены броуновскому движению и поверхностные явления могут играть заметную роль в процессе теплопередачи. При этом хорошо известно, что наночастицы из-за повышенной поверхностной активности могут объединятся в агломераты, которые могут мешать интенсификации однофазной теплопередачи. Важным моментом является устойчивость наножидкостных дисперсных систем, которая характеризуется неизменностью во времени равновесного распределения дисперсной фазы в объеме среды, которая определяется взаимодействием межмолекулярных сил притяжения и электростатических сил отталкивания между частицами (теория Дерягина - Ландау - Фервея - Овербека).
В сущности, для практического применения интересны не сами наножидкости (они недостаточно стабильны для того, чтобы использоваться в устройствах и установках, работающих постоянно в течение многих лет), а наноструктурированные поверхности - то есть поверхности нагрева с покрытием из наночастиц, о котором речь шла выше. Эти наноструктурированные поверхности образуются при оседании наночастиц из коллоида именно во время парообразования на обогреваемой поверхности и является его следствием, и, по убеждению многих исследователей, также является основным фактором, влияющим на особенности теплообмена при кипении и кризис кипения наножидкостей (см. RU 2433949, 2011, Ю.А. Кузма-Кичта, А.В. Лавриков, Н.Я. Паршин, Д.Н. Игнатьев, В.Н. Турчин, "Способ формирования нанорельефа на теплообменных поверхностях изделий").
Указанный способ наиболее близко к предлагаемой заявке на изобретение и может быть выбрано в качестве прототипа. Это известное из уровня техники изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении изделий, содержащих теплообменные поверхности с микро- и нанорельефом с целью интенсификации теплообмена, уменьшения гидравлического сопротивления и отложений. Способ формирования нанорельефа на теплообменной поверхности изделия путем осуществления на ней кипения наножидкости заключается в том, что выбирают материал наночастиц с температурой плавления, равной 0.8-0.9 от температуры плавления (Тпл) изделия, получают при кипении наножидкости сплошной слой наночастиц на поверхности изделий с минимальным термическим сопротивлением, выдерживают изделие вместе со слоем наночастиц на нем в инертной атмосфере при температуре 0,7-0,8 от температуры плавления наночастиц в течение 30 мин. Технический результат прототипа - получение на поверхности изделия слоя с минимальным термическим сопротивлением и скрепление указанного слоя с поверхностью изделия.
Указанный прототип имеет следующие недостатки. При кипении наножидкости получают сплошной слой наночастиц на поверхности изделий с минимальным термическим сопротивлением, выдерживают изделие вместе со слоем наночастиц на нем в инертной атмосфере при температуре 0,7-0,8 от температуры плавления наночастиц в течение 30 мин. Технический результат прототипа - получение на поверхности изделия слоя с минимальным термическим сопротивлением и скрепление указанного слоя с поверхностью изделия. Таким образом, в данном случае необходима, высокая температура припекания наночастици и специальная инертная среда. Это сильно усложняет и удорожает процесс формирования нанорельефа на теплообменных поверхностях. Как видно из этого изобретения, оно фактически использует высокие температуры (0,7-0,8 Тпл), характерные для хорошо известных способов спекания порошковых материалов с поверхностью и формирования капиллярно-пористых структур на этих поверхностях.
В предлагаемом техническом решении тот же эффект (формирование нанорельефа на теплообменных поверхностях) достигается в одном технологическом акте (способе) при использовании теплоносителей с предлагаемым составом. Данное обстоятельство существенно упрощает и снижает затраты для реализации той же цели (формирование нанорельефа на теплообменных поверхностях). Фактически приготовленный состав заправляют в тепловую трубу или термосифон, и тем самым достигается требуемый эффект - увеличение термодинамической эффективности, по сравнению с известными теплоносителями для двухфазных теплопередающих систем.
2
3
Осаждение наночастиц из дисперсии при кипении как технология получения нанопокрытий на поверхностях нагрева, по-видимому, является одним из наиболее перспективных путей формирования морфологии слоя, оптимальной для достижения наивысших значений критической плотности теплового потока (см. например, работы группы исследователей Московского энергетического института (МЭИ), проводимых под руководством проф. Ю.А. Кузма-Кичта, где используются наноструктурированные поверхности (их еще иногда называют поверхностями с мезорельефом), полученные осаждением частиц AlO в ходе кипения с дальнейшей термообработкой покрытия: «Экспериментальные данные по кипению воды, недогретой до температуры насыщения, на поверхностях с мезорельефом» / Н.В. Васильев [и др.]// Тепловые процессы в технике. - 2016. - 8 (3). - С. 98-102.).
Различают седиментационную и агрегативную устойчивость системы. Способность частиц противостоять силе тяжести определяет седиментационную устойчивость, а способность частиц противостоять агрегированию - агрегативную устойчивость. Эти два типа устойчивости взаимосвязаны, и нарушение агрегативной устойчивости снижает седиментационную устойчивость системы, способствуя осаждению частиц. Процесс слипания одинаковых по природе и заряду поверхности частиц с образованием крупных агрегатов называется коагуляцией, а агрегация разнородных частиц, отличающихся природой, знаком или величиной поверхностного заряда, называется гетерокоагуляцией.
Для интенсификации процесса агрегации частиц и достижения разделения фаз дисперсной системы применяют ПАВ - флокулянты. Процесс флокуляции, происходит при действии на дисперсные системы высокомолекулярных органических или неорганических соединений. При флокуляции образуются более крупные и рыхлые агрегаты и флокуляция является необратимым процессом по сравнению с коагуляцией. Согласно представлениям Ла Мера, макромолекула флокулянта в результате одновременной адсорбции на двух или нескольких частицах дисперсии связывает их в агрегаты полимерными мостиками и снижает устойчивость дисперсной системы.
В качестве высокомолекулярных водорастворимых флокулянтов используют неорганические полимеры (например, полимерную кремниевую кислоту), природные полимеры (производные целлюлозы, крахмал и его производные) и синтетические органические полимеры (полиэтиленоксид, поливиниловый спирт, поливинилпиридины, ПФ). Из синтетических органических полимеров наиболее часто применяют Flopam AN 945 SH (Флопам AN 945 SH) - анионный полиакриламидный флокулянт, представляющий собой белый порошок, хорошо растворимый в воде.
Описание изобретения
Целью предлагаемого технического решения является получение эффекта формирования нанорельефа на теплообменных поверхностях за счет использования смеси, представляющей собой наножидкость и ПАВ-флокулянт, который должен способствовать образованию из наночастиц агрегатов с последующим необратимым осаждением последних на парогенерирующих поверхностях испарителя тепловой трубы, т.е. в зоне подвода тепла. Это приводит к образованию капиллярно-пористых структур (новых для термосифонов и дополнительных для фитильных тепловых труб), что способствует увеличению коэффициента теплоотдачи (КТО) и критического теплового потока (КТП) в испарителе тепловой трубы и к улучшению термодинамической эффективности всего теплопередающего устройства.
2
3
2
2
3
2
В результате применения заявленного способа и состава достигаются увеличение термодинамической эффективности, под которой в данном случае понимают увеличение КТО и КТП, уменьшение термического сопротивления, а также удешевление продукта за счет использования наночастиц дешевых оксидных материалов (например, FeO, SiO), кроме того оксиды химических элементов, как правило, обладают лучшей смачиваемостью, чем чистые элементы. Для достижения вышеуказанной цели смесь, представляющая собой теплоноситель, в соответствии с предлагаемым техническим решением включает в себя воду (дистиллированную воду), наночастицы оксида железа (FeO) или оксид кремния (SiO) и флокулянт - Флопам AN 945 SH в предлагаемых пропорциях, которые приводят к устойчивому формированию пористых покрытий на парогенерирующих поверхностях теплопередающих устройств.
Примеры реализации изобретения
В соответствии с предлагаемым техническим решением смесь, представляющая собой теплоноситель для использования в тепловых трубах, содержит воду (дистиллированную воду), наночастицы оксидов и флокулянт - ПАВ. В дистиллированную воду добавляют наночастицы оксида (предпочтительный размер менее 100 нм) и флокулянт - ПАВ (предпочтение отдано флокулянту - Флопам AN 945 SH). Из указанных компонентов готовят смесь, и этой смесью заполняют предварительно откаченную тепловую трубу.
2
3
2
3
В предлагаемом техническом решении наиболее эффективная смесь должна отвечать следующим требованиям: смесь должна предпочтительно включать в себя 1,5-2 вес. % наночастиц оксида железа (FeO), 3-5 вес. % флокулянт - Флопам AN 945 SH, остальное - дистиллированная или ионообменная вода. Кроме наночастиц оксида железа (FeO) можно использовать наночастицы других оксидов, химически совместимых с водой, флокулянтом и материалом оболочки тепловой трубы. В соответствии с предлагаемым техническим решением смесь, представляющая собой теплоноситель, имеет большой температурный рабочий диапазон, и ее можно использовать в любых тепловых трубах, изготовленных из нержавеющей стали, меди и подобных материалов. Представленная в предлагаемом техническом решении смесь удобна в обращении, невоспламеняема, не вредна для человеческого организма и дешева.
Далее предлагаемое техническое решение рассмотрено на реальных примерах, касающихся смесей и производственных процессов. В описании предлагаемого изобретения приведены ссылки на соответствующие иллюстрации.
Краткое описание чертежей
2
3
Фиг. 1. Распределение частиц FeO по размерам в наножидкости. Средний размер частиц в наножидкости составлял 36 нм.
Фиг. 2. Схема возбуждения при лазерной абляции:
1 - излучение лазера; 2 - фокусирующая линза; 3 - сосуд с раствором; 4 - мишень; 5 - направление движение образца
Фиг. 3 Схема контурного термосифона для охлаждения светодиодов.
6 - испаритель, 7 - светодиоды; 8 - паропровод; 9 - конденсатор; 10 - конденсатопровод; 11 - радиатор; 12 - жидкостная полость испарителя; 13 - паровая полость испарителя; 14 - светодиодная матрица
Необходимо понимать, что предлагаемое техническое решение представленными примерами не ограничено. При выполнении настоящих примеров подготавливали следующие ингредиенты.
Пример 1.
2
3
Для приготовления наножидкости использовали нанокристаллический порошок оксида железа FeO, (приготовленный в Институте электрофизики УРО РАН), который взвешивали на аналитических весах и добавляли в лабораторный стакан к чистой дистиллированной воде для приготовления суспензии. Затем в смесь погружали ультразвуковой источник для диспергирования, который был подключен к ультразвуковому (УЗ) генератору ИЛ 10 (ООО "Ультразвуковая техника -ИНЛАБ"Россия, Санкт-Петербург) мощностью 5 кВт. Для предотвращения кипения жидкости в колбе, колбу погружали в емкость с холодной водой. УЗ диспергирование длилось в течение 10 минут, после чего раствор помещали в лазерный анализатор размеров частиц SHIMADZU SALD-7101 (Япония) для определения размеров частиц в суспензии. Результаты измерений представлены на Фиг. 1 в виде функции распределения частиц по размерам их диаметра. Согласно проведенным измерениям средний размер наночастиц в НЖ составлил 36 нм. Затем, в приготовленную наножидкость добавляли флокулянт - Флопам AN 945 SH, смесь тщательно перемешивали, завершая таким образом производство смеси в заданных пропорциях, и заправляли в контурный термосифон (КТС) для исследования (см. Фиг. 3).
2
3
Состав: Дистиллированная вода 94,5 вес. %; наночастицы оксида железа (FeO), наиболее вероятный диаметр частиц, 70 нм, 1,5 вес. %; флокулянт - Флопам AN 945 SH, 4 вес. % Итого 100%
Пример 2.
Способ приготовления тот же, что и в Примере 1
2
3
Состав: Ионосодержащая вода 93 вес. %; наночастицы оксида железа (FeO), наиболее вероятный диаметр частиц, 70 нм, 2 вес. %; флокулянт - Флопам AN 945 SH, 5 вес. % Итого 100%
Пример 3.
Для приготовления наножидкости использовали лазерную абляцию. В процессе лазерной абляции происходит быстрый значительный локальный нагрев мишени с выносом вещества мишени в виде пароплазменного облака, в результате чего в среде формируются наночастицы. Высокая температура на стадии формирования наночастиц и большая удельная поверхность обуславливают их большую активность по сравнению с объемным материалом, в результате чего, подбирая условия эксперимента и среду, можно целенаправленно получать наножидкости с наночастицами различного состава и свойств. Примерами такого управления составом наночастиц могут служить работы по синтезу, например, наночастиц оксидов при абляции металлических мишеней. Для лазерной абляции мишеней использовали излучение основной гармоники импульсного наносекундного Nd: YAG-лазера LS-2132UTF, LOTIS TII (1064 нм, до 200 мДж, 7 не, 15 Гц). В качестве мишени применяли пластину металлической меди (чистотой 99,5%) на подвижном креплении для автоматического сканирования луча лазера по поверхности образца и предупреждения образования кратеров, изменяющих фокусировку. В качестве растворителя использовали дистиллированную воду. Мишень опускали в стеклянный цилиндрический сосуд диаметром 35 мм с 40-50 мл жидкости. Излучение лазера фокусировали кварцевой линзой f=50 мм и заводили через боковую стенку сосуда, что обеспечивало постоянную фокусировку и отсутствие разбрызгивания (Фиг. 2). Импульсная плотность мощности излучения на поверхности образца составляла 0,25-1 ГВт/см2. Время облучения варьировали от 3 до 60 мин. Максимальная массовая концентрация наночастиц в растворе (по меди) составляла 1,5 вес. %.
Состав: Дистиллированная вода 95 вес. %; наночастицы оксида меди (CuO), наиболее вероятный диаметр частиц, 20 нм, 1,5 вес. %; флокулянт - Флопам AN 945 SH, 3,5 вес. % Итого 100%
Пример 4.
2
Для приготовления наножидкости использовали нанокристаллический порошок оксида кремния (SiO), который взвешивали на аналитических весах и добавляли в лабораторный стакан к чистой ионосодержащей воде для приготовления суспензии. Затем, в смесь погружали ультразвуковой источник для диспергирования, который был подключен к ультразвуковому (УЗ) генератору ИЛ10 (ООО "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ" Россия, Санкт-Петербург) мощностью 5 кВт. Для предотвращения кипения жидкости в колбе, колбу погружали в емкость с холодной водой. УЗ диспергирование проводили в течение 15 минут, после чего раствор помещали в лазерный анализатор размеров частиц SHIMADZU SALD-7101 (Япония) для определения размеров частиц в суспензии. Согласно проведенным измерениям средний размер наночастиц в НЖ составлял 36 нм. Затем, в приготовленную наножидкость добавляли флокулянт - Флопам AN 945 SH, смесь тщательно перемешивали, завершая таким образом производство смеси в заданных пропорциях, и затем смесь заправляли в контурный термосифон (КТС) для исследования (см. Фиг. 3).
2
Состав: Ионосодержащая вода 93 вес. %; наночастицы оксида кремния (SiO), наиболее вероятный диаметр частиц, 50 нм, 2 вес.%; флокулянт - Флопам AN 945 SH, 5 вес. % Итого 100%
Указанные смеси использовали в качестве теплоносителя в тепловых трубах, изготовленных из нержавеющей стали и меди, в течение 10 месяцев. По сравнению с широко используемым теплоносителем - чистой водой, эксплуатация подтвердила увеличение коэффициента теплоотдачи на 20-30%, уменьшение термического сопротивления на 15-20%.