СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕНОСА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ИЛИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ИЗДЕЛИЕМ И ЖИДКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
METHOD OF PROVIDING HEAT TRANSFER BETWEEN METAL OR NON-METAL PRODUCT AND LIQUID HEAT CARRIER

Настоящее изобретение относится к способу обеспечения теплопередачи между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем, содержащим жидкую среду и особые наночастицы, имеющие определенное соотношение толщины и размера в поперечном направлении. В частности, оно хорошо подходит для отраслей промышленности, связанных с производством стали, алюминия, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлических композитов, никеля, или обеспечивающих неметаллические материалы, такие как пластмасса.
В свете задачи экономии расхода энергии возможно улучшение эффективности теплообменников и введение различных методик интенсификации теплообмена. Некоторые из этих методик сосредоточились на применении электрического или магнитного поля. Хотя такой подход способен повысить эффективность использования электроэнергии, также возможно достижение усовершенствований и в том, что касается жидких теплоносителей. Обычно в качестве жидкого теплоносителя применяются такие жидкости, как вода, машинное масло, этиленгликоль и т.п. Однако они обладают недостаточными характеристиками теплопередачи и поэтому для достижения требуемого теплопереноса необходимы высокая компактность и эффективность систем теплообмена. В числе усилий по улучшению теплопередачи более достойно внимания применение присадок к жидкостям.
Например, для улучшения коэффициента теплопередачи или по меньшей мере удельной теплопроводности в воду может быть добавлено поверхностно-активное вещество, такое как LEVENOL C-421, которое представляет собой моно- и диглицеридные эфиры полиэтиленоксида. Однако, хотя удельная электропроводность и повышается в некоторых случаях, присутствие поверхностно-активного вещества приводит к образованию пены. Присутствие пены представляет собой огромную проблему, так как на практике возникают трудности с ее удалением, особенно в промышленном масштабе. Кроме того, присутствие поверхностно-активного вещества усиливает коррозию в системе теплопереноса, особенно труб, по которым протекает жидкий теплоноситель. Наконец, возможно образование отложений, в частности, в системе теплопередачи.
Недавние исследования в области нанотехнологии сделали возможной разработку новой категории жидкого теплоносителя, содержащего наночастицы. Такие жидкости, также именуемые “Nanofluid”, представляют собой жидкую суспензию, содержащую частицы, у которых по меньшей мере одно измерение ниже 100 нм. Эти жидкие теплоносители обычно имеют повышенный коэффициент теплопередачи.
2
-
-
Патентная заявка US2014/0312263 раскрывает жидкий теплоноситель, содержащий жидкую среду и окисленную форму материала, выбранного из группы многослойных графеновых нанопластинок. Также в нем раскрывается способ получения такой жидкости. В данной патентной заявке указывается, что окисление многослойных графеновых нанопластинок (GnPs) преобразует находящиеся на поверхности sp графитовые слои в группы OH, COO и CO. Эти группы создают на поверхности нанопластинки достаточный электростатический заряд, который из-за сил отталкивания удерживает частицы в отдалении друг от друга и препятствует агломерации и осаждению частиц. Таким образом может быть достигнута хорошая стабильность графитовых нанофлюидов в воде или в жидких смесях на основе этиленгликоля и воды и, вследствие этого, хорошая степень их дисперсности.
Также раскрывается, что в суспензиях с немодифицированным GnPs осаждение происходит в пределах нескольких часов. Суспензии, стабилизированные катионными или анионными поверхностно-активными веществами, показывают улучшение стабильности; однако удельная теплопроводность таких суспензий оказывается ниже основной жидкости из-за очень низкой удельной теплопроводности органических молекул по сравнению с водой. Таким образом, органические поверхностно-активные вещества ухудшают теплопроводность суспензий на водной основе. Поэтому подход, не подразумевающий применения поверхностно-активных веществ для стабилизации дисперсии наночастиц, включает окисление GnP для отчетливого разделения GnPs на индивидуальные нанопластинки.
nf
0
nf
0
2
Наконец, раскрывается, что окисление GnPs снижает степень повышения теплопроводности во всех проверенных категориях. Отношение коэффициентов теплопередачи (h/h) нанофлюида (h) и основной жидкости (h), вычисленное для различных температур, показывает, что включение графитовых наночастиц в теплоноситель этиленгликоль/HO может обеспечить повышение интенсивности теплопередачи на 75-90% при использовании в режиме ламинарного потока. Коэффициенты теплопередачи в режиме турбулентного потока демонстрируют улучшение теплопереноса на 30-40% по сравнению с основной жидкостью.
Однако окисление или функционализация GnPs требует применения при способе производства жидкого теплоносителя дополнительного этапа, использующего сильные кислоты, например, смесь концентрированных серной и азотной кислот, как в US2014/0312263. В промышленном масштабе эта реакция окисления производит отходы производства, оказывающиеся сложными в обращении. Помимо этого, такой жидкий теплоноситель не обеспечивает очень высокой эффективности. Например, в сталелитейной промышленности в процессе охлаждения при способе горячей прокатки выходной рольганг охлаждает стальную полосу от приблизительно 800-950°C на входе до 450-600°C на выходе. Таким образом, для некоторых марок стали является необходимым жидкий теплоноситель, имеющий высокий коэффициент теплопередачи.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить несложный в осуществлении способ теплопереноса между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем, при котором жидкий теплоноситель имеет высокий коэффициент теплопередачи.
Это достигается посредством предоставления способа теплопереноса между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем по п. 1 формулы изобретения. Данный способ может также содержать любые признаки по п.п. 2 - 26, взятые индивидуально или в комбинации.
Изобретение также охватывает способ получения жидкого теплоносителя по п. 27.
Также настоящее изобретение охватывает жидкий теплоноситель по п. 28.
Следующие термины определяются следующим образом:
- жидкий теплоноситель, содержащий наночастицы (так называемый нанофлюид), означает жидкую суспензию, содержащую частицы, имеющие по меньшей мере одно измерение ниже 100 нм;
- ламинарный поток означает поток с числом Рейнольдса ниже критической величины приблизительно в 2300;
- турбулентный поток означает поток с числом Рейнольдса, превышающим критическую величину около 4000;
- концентрация порога перколяции – концентрация наночастиц, выше которой они объединяются, образуя сетчатую структуру с дальним порядком. Для связанных с теплопередачей применений подходит, чтобы такая сетка соединяла наиболее горячую часть жидкости, то есть часть, откуда начинает перетекать тепло, и самую холодную часть жидкости, то есть часть, куда тепло отводится. Другими словами, ниже концентрации порога перколяции наночастицы не являются связанными. Когда достигается концентрация порога перколяции, образованная наночастицами сетка, которая имеет более высокую удельную теплопроводность, чем жидкая среда, позволяет теплоносителям выбирать путь с намного меньшим сопротивлением теплопередаче, увеличивая таким образом удельную теплопроводность жидкости и, вследствие этого, коэффициент теплопередачи;
- об.% означает объемную концентрацию в процентах;
- масс.% означает массовую концентрацию в процентах;
- графитовые нанопластинки означают многослойную систему из графеновых листов, имеющих толщину между около 5 и 20 нм;
- малослойный графен подразумевает многослойную систему из графеновых листов, имеющих толщину между 1 и 5 нм, и
- графен означает лист толщиной в один атом из гексагонально упорядоченных, связанных атомов углерода, представляя обычно толщину менее 1 нм.
Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из следующего подробного описания изобретения.
Для иллюстрирования изобретения будут описаны различные воплощения и испытания образцов из неограничивающих примеров, в частности, с обращением к следующим фигурам.
Фиг. 1 иллюстрирует пример одной нанопластинки согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 иллюстрирует пример многослойных нанопластинок согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 иллюстрирует пример сферической наночастицы согласно настоящему изобретению.
Фиг. 4 иллюстрирует пример эллиптической наночастицы согласно настоящему изобретению.
Изобретение относится к способу теплопередачи между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем, содержащим жидкую среду и наночастицы, при том, что соотношение их толщины и размера в поперечном направлении составляет менее 0,00044 и при этом наночастицы не содержат углеродных нанотрубок.
Безотносительно к какой-либо конкретной теории, по-видимому, в случае жидкого теплоносителя, содержащего наночастицы, имеющие отношение толщина/поперечный размер менее 0,00044, снижается концентрация порога перколяции. Соответственно, выше концентрации порога перколяции образуется меньше мостиков, что приводит к уменьшению вязкости. Кроме того, оказывается возможным обеспечение высокой теплопроводности и, вследствие этого, высокого коэффициента теплопередачи при низкой концентрации наночастиц, особенно в ламинарном потоке.
Согласно изобретению, поток жидкого теплоносителя может находиться в ламинарном или турбулентном режиме. В режиме ламинарного потока коэффициент теплопередачи пропорционален удельной теплопроводности. В отличие от этого, в режиме турбулентного потока коэффициент теплопередачи зависит от ряда теплофизических свойств, таких как вязкость.
Предпочтительно жидкий теплоноситель содержит наночастицы, имеющие величину отношения толщина/поперечный размер ниже 0,00043, предпочтительно между 0,00010 и 0,00040, более предпочтительно между 0,00015 и 0,00035 или между 0,00020 и 0,00030.
Предпочтительно толщина наночастиц составляет между 1 и 99,99 нм, предпочтительно между 5 и 50 нм и более предпочтительно между 5 и 15 нм.
Предпочтительно поперечный размер наночастицы составляет между 26 и 50 мкм, предпочтительно между 35 и 45 мкм.
Предпочтительно концентрация наночастиц составляет между 0,01 масс.% и 12 масс.%, предпочтительно между 2 и 8 масс.% и более предпочтительно между 4 и 7 масс.%.
Наночастица может быть, например, сферической, эллиптической или в форме нанопластинки.
Фиг. 1 иллюстрирует пример одной нанопластинки, которая может использоваться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает самую большую протяженность нанопластинки по оси X на фиг. 1, а толщина означает высоту нанопластинки по оси Z. Ширина нанопластинки иллюстрируется по оси Y.
Фиг. 2 представляет пример многослойных нанопластинок, которые могут применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает самую большую протяженность нанопластинок по оси X, а толщина означает общую высоту всех нанопластинок в пакете по оси Z. Ширина нанопластинки иллюстрируется по оси Y.
Фиг. 3 иллюстрирует пример сферической нанопластинки, которая может применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает диаметр наночастицы, а толщина соответствует высоте наночастицы.
Фиг. 4 иллюстрирует пример эллиптической нанопластинки, которая может применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает наибольшую длину наночастицы, а толщина означает высоту наночастицы.
Размер в поперечном направлении и толщина наночастицы могут быть измерены с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM).
В одном предпочтительном воплощении жидкий теплоноситель содержит наночастицы, являющиеся многослойными нанопластинками. Действительно, безотносительно к какой-либо конкретной теории, чтобы получить морфологию нанопластинок, наночастицы, по-видимому, должны иметь многослойную структуру со слабым взаимодействием между слоями, то есть Ван-дер-Ваальсовыми силами, водородной связью, механической связью, галогенной связью, пи-стэкинговым взаимодействием, катион-анионной пи-связью, интеркаляцией, солевыми мостиками и полярной пи-связью. Эта слабое связывание совместно с хорошей теплопроводностью нанопластинок расширяет возможности для улучшения коэффициента теплопередачи жидкости.
2
2
2
3
Предпочтительно наночастицы выбираются из графитовых нанопластинок, графена, малослойного графена, TiO, ZnO, ZnO, нитрида бора, меди, диоксида кремния, монтмориллонита, цеолита клиноптилолита, волластонита, слюды, цеолита 4A, AlO, силиката, пемзы и оксида кальция.
В одном предпочтительном воплощении жидкий теплоноситель, кроме того, содержит диспергирующий агент. Данный диспергирующий агент может быть не обладающим поверхностно-активными свойствами полимером, поверхностно-активным веществом или их смесью. Поверхностно-активное вещество может быть катионным, анионным, амфотерным или неионогенным.
Например, диспергирующий агент может быть поливинилпирролидоном, полисахаридами, сульфатированными полисахаридами, линейными алкилбензолсульфонатами, лигносульфонатами, диалкилсульфосукцинатами, соединениями четвертичного аммония, стеаратом натрия или их смесью.
Предпочтительно массовое соотношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента составляет между 3 и 18. Более предпочтительно отношение концентрации наночастиц к концентрации диспергирующего агента составляет между 4 и 15, предпочтительно между 4 и 8 и более предпочтительно его величина находится между 4 и 6.
Безотносительно к какой-либо конкретной теории, по-видимому, при регулировании указанного выше соотношения и достижении концентрации порога перколяции жидкий теплоноситель согласно изобретению создает возможности для обеспечения более высокой удельной теплопроводности и, вследствие этого, высокого коэффициента теплопередачи. Действительно, диспергирующий агент в этом случае способен не допускать агломерации и осаждения наночастиц. Например, если бы диспергирующий агент был представлен поверхностно-активным веществом, наночастица оказалась бы заключена в мицеллу, сердцевина которой состоит из гидрофобных молекул и оболочка – из гидрофильных молекул. Такая мицеллярная структура позволяет наночастицам диспергироваться в жидкости. Однако, чтобы обеспечить перколяцию, другими словами, образование создаваемой наночастицами сетки дальнодействующего порядка, степень дисперсности наночастиц должна быть ограничена.
Предпочтительно жидкий теплоноситель содержит жидкую среду, выбираемую из воды, этиленгликоля, этанола, масла, метанола, кремнийорганического материала, пропиленгликоля, алкилированных ароматических соединений, жидкого Ga, жидкого In, жидкого Sn, формиата калия и их смеси. Галлий, индий и олово могут применяться в качестве жидкого теплоносителя, в частности, для охлаждения металлического изделия. Действительно, температура плавления галлия составляет 30°C, индия 157°C, а олово имеет температуру плавления 232°C. Например, они могут использоваться для охлаждения компьютерных микросхем или лабораторного оборудования, такого как нейтронные источники.
Способ теплопереноса согласно данному изобретению представляет перенос тепла между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем. Предпочтительно металлическое изделие, являющееся, например, металлической подложкой, изготавливается из алюминия, стали, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлического композита, никеля, а неметаллическое изделие изготавливается из пластических масс.
На известном уровне техники теплопередача, использующая в качестве жидкой среды воду, может обычно реализовываться двумя различными способами. Первый способ называют «бесконтактном водным способом», что означает, что вода поддерживается в кругообороте без впрыскивания к объекту, отходящим газам или жидкостям для охлаждения или нагревания. Этот способ применяет системы косвенного охлаждения или нагрева или же системы бесконтактного охлаждения либо нагревания, в частности, через теплообменники. Второй способ называется «способом с контактной водой», что означает, что вода, применяемая для охлаждения или нагревания объекта, находится с ним в непосредственном контакте.
Согласно одному предпочтительному воплощению изобретения, являющееся металлическим изделие представлено теплообменником, а теплопередача реализуется с помощью находящейся внутри такого теплообменника жидкости.
В частности, в сталелитейной промышленности теплопередача с применением теплообменника может быть осуществлена при обработке коксового газа, в доменных печах, кислородных конвертерах, дуговых электропечах, при непрерывной разливке, операциях горячей прокатки, операциях холодной прокатки, в испарителях, отжигательных печах и на линиях по нанесению покрытий, травлению или спеканию. Охлаждение при таких способах необходимо для поддержания работы технологического оборудования.
Согласно одному предпочтительному воплощению изобретения, изделие является металлической подложкой и жидкий теплоноситель находится в непосредственном с ней контакте. В этом случае теплопередача может быть осуществлена охлаждением под действием ударной силы струи, кипением в свободном объеме, распылительным охлаждением или микроканальным охлаждением.
Например, в сталелитейной промышленности теплопередача контактным водяным охлаждением может быть осуществлена:
- в орошаемых водой камерах установок для непрерывного литья и процессов горячей прокатки, таких как процессы охлаждения на выходном рольганге;
- в коксовых печах для газовой обработки и тушения кокса;
- в ходе гашения шлака в доменных печах, кислородных конвертерах и дуговых электропечах.
Жидкий теплоноситель предпочтительно готовится с использованием следующих этапов:
A – обеспечения наночастиц согласно настоящему изобретению;
B – обеспечения жидкой среды;
C – регулирования концентрации наночастиц для достижения перколяции и
D – смешивания наночастиц с жидкой средой.
Жидкий теплоноситель настоящего изобретения имеет высокий коэффициент теплопередачи и, предпочтительно, хорошую дисперсию.
Далее изобретение поясняется с обращением к экспериментальным данным, приводимым исключительно в информационных целях. Ограничивающими они не являются.
Примеры. Коэффициент теплопередачи – ламинарный поток
Пример 1
Были приготовлены пробы 1 - 3 смешиванием с водой графитовых нанопластинок, имевших отношение толщина/поперечный размер, составляющее 0,00025, 0,001 и 0,005.
Для каждой пробы была измерена теплопроводность образцов с помощью измерителя теплопроводности DTC-25. Степень повышения теплопроводности рассчитывалась по отношению к удельной электропроводности воды, при этом удельная электропроводность воды составляет при комнатной температуре, то есть при 20°C, 0,67 мК. Пробы 4 - 6, соответственно, представляют образцы A-GnP и B-GnP, содержащие функционализованные наночастицы C-GnP из заявки US2014/0312263. Соответственно, отношение толщина/поперечный размер составляет 0,001 - 0,009, 0,0005 - 0,008 и 0,00044 - 0,003.
В ламинарном потоке для всех проб увеличение теплопередачи пропорционально возрастанию теплопроводности, таким образом, никаких вычислений для оценки увеличения теплопередачи в процентном выражении не требуется.
Пробы
Образцы
Концентрация наночастиц(масс.%)
Отношение толщина/поперечный размер
Повышение теплопередачи(%)
1*
1
5
0,00025
203
2
2
5
0,001
31
3
3
5
0,005
10
4
4
5
0,001-0,05
6
5
5
5
0,0005-0,008
75
6
6
5
0,00044-0,005
85
* согласно настоящему изобретению.
По сравнению с пробами 2 - 6 проба 1 представляет более значительное увеличение теплопередачи.
Пример 2
Были приготовлены пробы 8 - 9 смешиванием с водой 1 масс.% поливинилпирролидона и графитовых нанопластинок, имевших отношение толщина/поперечный размер, составляющее 0,00025.
Была измерена теплопроводность образцов с помощью измерителя теплопроводности DTC-25. Повышение теплопроводности рассчитывалось по отношении к удельной электропроводности воды. В ламинарном потоке увеличение теплопередачи пропорционально возрастанию теплопроводности, таким образом, никаких вычислений для оценки увеличения теплопередачи в процентном выражении не требуется.
Пробы
Образцы
Концентрация наночастиц(масс.%)
Диспергирующий агент(масс.%)
Отношение С<sub>наноч.</sub>/С<sub>дисп.</sub>
Отношение толщина/ поперечный размер
Повышение теплопередачи (%)
7*
1
5
-
-
0,00025
203
8*
7
7
1
7
0,00025
286
9*
8
10
1
10
0,00025
384
* согласно настоящему изобретению.
Пробы 8 и 9, содержащие диспергирующий агент, показывают более значительное увеличение теплопередачи, чем проба 7 без диспергирующего агента.
Пример 3
3
С помощью программных средств моделирования была вычислена эффективность охлаждения в случае проб 1 - 9 и пробы 10, состоявшей из воды. В этом испытании стальной сляб, имевший плотность 7854 кг/м, охлаждался в ламинарном потоке в течение 13 секунд. Он имел длину 5 метров, ширину 1 метр и толщина сляба составляла 10 мм.
Исходная температура сляба равнялась 968°C. Следующая таблица показывает скорость охлаждения при использовании каждой пробы.
Пробы
Скорость охлаждения (°C/с)
1*
36,9
2
26,1
3
22,9
4
22,3
5
32,7
6
34,2
7*
36,8
8*
46,9
9*
54,9
10
21,4
* согласно настоящему изобретению.
Пробы 1, 7, 8 и 9 показывают более высокую скорость охлаждения, чем пробы 2 - 6 и проба 10.