close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Интенсификация теплоотдачи на алюминиевых поверхностях путем оксидирования их наномодифицированными электролитами..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 66.021.4:621.357
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООТДАЧИ НА АЛЮМИНИЕВЫХ
ПОВЕРХНОСТЯХ ПУТЕМ ОКСИДИРОВАНИЯ
ИХ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ
А.А. Гравин1, Ю.В. Литовка1, Е.Н. Туголуков2,
А.Г. Ткачёв2, И.А. Дьяков1, А.Н. Пахомов3
Кафедры: «Системы автоматизированного проектирования» (1);
nagval_89@mail.ru;
«Техника и технологии производства нанопродуктов» (2),
«Технологические процессы и аппараты» (3), ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
Представлена членом редколлегии профессором С.В. Мищенко
Ключевые фразы и фразы: гальванические процессы; интенсификация
теплообмена; обратная задача нестационарной теплопроводности; увеличение
шероховатости; углеродные нанотрубки.
Аннотация: Рассмотрен способ увеличения шероховатости и интенсификации теплообмена. Подробно обоснована целесообразность использования нанодисперсных материалов для достижения поставленной цели и выявлен положительный результат их применения. Экспериментально проверена гипотеза возникновения данного эффекта.
:
Обозначения
a – коэффициент температуропроводности
материала пластины, м2/с;
СУНТ – концентрация УНТ «Таунит», мг/л;
CУНТ i – концентрация УНТ «Таунит» в i-м
эксперименте, мг/л;
n – количество экспериментов;
R – толщина пластины, м;
Т – температура при проведении экспериментов, ºС;
Ti – температура в i-м эксперименте, ºС;
t(х, τ) – температурное поле пластины, К;
tc1, tc2 – температура окружающей среды
над пластиной и под пластиной соответственно, К;
w – скорость воздуха при проведении экспериментов, м/с;
wi – скорость воздуха в i-м эксперименте, м/с;
х – пространственная координата, м;
α1, α2 – коэффициент конвективной теплоотдачи от внешней поверхности сверху пластины и снизу пластины в окружающую
среду соответственно, Вт/(м2⋅К);
αэкс i – коэффициент теплоотдачи в i-м эксперименте, Вт/(м2⋅К);
λ – коэффициент теплопроводности материала пластины, Вт/(м⋅К);
τ – время, с.
Тепловые процессы продолжают играть важную роль в промышленности,
энергетике и многих других областях деятельности человека в наше время. В связи с этим, исследования в данной области активно продолжаются [1–7], и одним
из наиболее важных направлений является интенсификация теплообмена. Теплоотдающие поверхности должны обеспечивать эффективность, компактность, технологичность изготовления, малую материалоемкость и низкие гидродинамические потери производственного оборудования различного назначения.
928
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. № 4. Transactions TSTU
Для интенсификации теплоотдачи могут применяться различные методы,
использующие разнообразные конструктивные решения, эффективные режимные
параметры, соответствующие характеристики теплоносителя и некоторые другие.
В данной работе исследуется возможность изменения свойств поверхностей, в
частности увеличение шероховатости, для интенсификации теплообменных процессов. Особенность исследуемого метода заключается в использовании нанодисперсных материалов при нанесении оксидированных покрытий на поверхность теплообмена.
Основной целью данной работы является повышение степени шероховатости
теплоотдающих поверхностей для увеличения теплоотдачи от поверхности теплообмена к воздуху с помощью применения нанодисперсных материалов, в частности углеродных нанотрубок, в электролите оксидирования. В данной работе
проводилось исследование алюминиевых поверхностей и оценивалось изменение
их теплоотдачи к воздуху при различных условиях.
Авторами данной работы была выдвинута гипотеза, заключающаяся в том,
что добавление нанодисперсных материалов в электролит оксидирования позволяет получить специфический микрорельеф покрытия, состоящий из выпуклостей
с формой, близкой к конической. При этом данные выпуклости распределяются
по поверхности равномерно и внутри каждой из них находятся углеродные нанотрубки. При этом увеличение шероховатости поверхности обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи.
В данной работе в качестве нанодисперсного материала используются 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. Количество графеновых слоев не более 30, диаметр УНТ 10…60 нм, доля структурированного углерода не менее 95 %.
Нанотрубки «Таунит» имеют развитую поверхность и поэтому чрезвычайно
активны и склонны к коагуляции. В связи с этим большое внимание при организации процесса нанесения наномодифицированного гальванического покрытия
необходимо уделять диспергированию исходного материала и равномерному распределению его в электролите. Измельчение исходных нанотрубок «Таунит»
осуществлялось с использованием механических вальцов и просеиванием через
сито. Диспергирование и равномерное распределение нанотрубок в электролите
осуществлялось с помощью ультразвука.
При этом для получения на поверхности наномодифицированного оксидированного покрытия выступов конусообразной формы необходимо, чтобы в гальваническом электролите присутствовали агломераты углеродных нанотрубок «Таунит» определенных размеров. Концентрация УНТ «Таунит» в электролите должна
превышать порог коагуляции, составляющий 50 мг/л.
При анодировании использовались круглые плоские образцы из алюминия
АМг3 диаметром 28 мм, толщиной 1,6 мм с хвостами-держателями (которые
–3
–3
после оксидирования отпиливаются) и массой 2,6·10 …2,65·10 кг.
Процесс нанесения оксидированного покрытия отличается от традиционного
введением в водный раствор 100…1600 мг/л порошка УНТ «Таунит» (эксперименты проводились при разных концентрациях в данном диапазоне с шагом
300 мг/л). Перемешивание порошка производилось в ультразвуковом диспергаторе в течение 5 мин.
Исследование морфологии поверхностей осуществлялось с помощью микроскопа с увеличением × 850. На рисунке 1 представлены фотографии поверхностей
без покрытия, с чистым оксидированным покрытием и с наномодифицированнным оксидированным покрытием (при добавлении в электролит УНТ «Таунит» в
количестве 100 и 700 мг/л).
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. № 4. Transactions TSTU
929
1
2
4,11
5,85
3
4
у
× 850, без покры
ытия (1),
Рис. 1. Фотографии поверхностей,, сделанные с увеличением
м покрытием (2
2), с наномодиф
фицированны
ым
с чистым окссидированным
оксидироованным покр
рытием при до
обавлении УНТ
Т «Таунит»
в количесттве 100 мг/л (3)), 700 мг/л (4)
Пр
ри фотографи
ировании повверхностей бы
ыло использо
овано боковоее освещение, ко
оторое визуалььно подтверди
ило наличие на
н них конусоо
образных выпуклостей.
Было выявлено
в
визууальное отлич
чие алюминиеввых поверхно
остей без окси
идированного по
окрытия, алюм
миниевых повверхностей с чистым
ч
оксидированным по
окрытием
и алюм
миниевых повверхностей с наномодифици
н
ированным окксидированны
ым покрытием. Также
Т
при пом
мощи бокового освещенияя было обосно
овано, что на фотогра–5
–5
фиях пр
рисутствуют и
именно выпукклости, имеющ
щие диаметр 4,11⋅10 …5,88
8⋅10 м.
Слледующим эттапом исследо
ований являло
ось эксперимеентальное опр
ределение
значени
ий шероховаатости поверх
хностей образзцов с разно
ого рода покр
рытиями.
Оценкаа шероховатости производилась портати
ивным измери
ителем шерох
ховатости
TR210 по четырем п
параметрам: Ra
R – среднее арифметическ
а
кое отклонени
ие профиофиля по десяяти точкам; Rq – среднекваадратичеля; Rz – высота неровностей про
о
высота между наибо
ольшими пико
ом и впаское оттклонение проофиля; Rt – общая
диной профиля.
п
В ходе экспери
иментов было выявлено, что
о значения всеех параметровв в значий степени увееличиваются. За определяю
ющий параметтр был выбран
н Ra, мактельной
сималььное увеличен
ние которого составило 88 % у алюмин
ниевых поверх
хностей с
наномо
одифицирован
нным оксидир
рованным поккрытием с добавлением УН
НТ «Таунит» в количестве 7700 мг/л в ср
равнении с по
оверхностями
и без оксидир
рованного
ного увеличен
ния параметраа Ra относитеельно копокрыттия. Зависимоость процентн
личествва добавленны
ых УНТ «Тау
унит» в электтролит оксиди
ирования пред
дставлена
на рис.. 2. При этом толщина окси
идной пленки
и на всех образзцах с нанесенным оксидиро
ованным покррытием (как наномодифици
н
ированным, так
т и чистым)) приблизительн
но на 40 % боольше, чем наа образцах беез нанесения соответствую
ющего по–33
–3
3
крытияя (0,0114·10 …0,0122·10 м). Измерен
ния производ
дились многоф
функциональны
ым толщиномеером «Константа К5».
Длля исследован
ния процесса теплоотдачи алюминиевы
ых образцов к воздуху
была раазработана мн
ногорежимнаяя установка, сх
хема которой представлена
п
на рис. 3.
Разрабо
отанная эксп
периментальнаая установка позволяет пр
роизводить измерение
и
930
ISSN 0136-55835. Вестник ТГТУ.
Т
2012. То
ом 18. № 4. Tran
nsactions TSTU
R %
Ra,
СУНТ, мг/л
Рис. 2. Зависимостть увеличения параметра Ra
a
аунит» в электр
ролите оксиди
ирования
от концентраации УНТ «Та
10
0
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Рис. 3. Схема многорежим
мной эксперимеентальной установки:
1 – вентиляятор; 2 – кожухх защитный; 3 – электронагревватель; 4 – слой теплоизоляцио
онного
материала; 5 – термоп
пары; 6 – контро
ольный и испыттуемый образцы; 7 – держателль;
8 – сисстема управлен
ния и регулироввания температу
уры и скорости
и потока воздух
ха;
9 – электронны
ый самопишущ
щий регулятор температуры;
т
10
0 – точка,
где прроисходит измерение скорости
и потока воздух
ха
теплоотдачи в диапазон
не температур
р 40…280 °C. Мощность установленногго тепнагревателя 2 кВт. Скоростть обдува маатериала можеет варьироватться в
лоэнергон
диапазоне 0,5…25 м/с. В сущности,, экспериментт представлялл собой нагреевание
д определен
нной температтуры и сняти
ие графиков нагрева
н
с пом
мощью
образцов до
электронн
ного самописц
ца для дальнеейшего примеенения этих данных в рассчетах
значений коэффициента
к
а теплоотдачи
и. На рисункее 4 приведен пример
п
сравни
ительных экспер
риментальныхх графиков наггревания обраазцов с различн
ными покрыти
иями.
Заклю
ючительным ээтапом данно
ой работы яви
илось вычислление значени
ий коэффициенттов теплоотд
дачи на основве аналитичесского решени
ия обратной задачи
з
нестацион
нарной теплоп
проводности в однослойно
ой неограничеенной пластин
не [8].
При этом были
б
приняты
ы следующие допущения:
1) расчет велся длля плоской нео
ограниченной
й пластины в связи
с
с тем, что
ч тережимо мала;
плоотдачаа с торцов образцов пренебр
2) коэффициенты теплопроводн
ности и темп
пературопрово
одности образзца не
ы окружающей
й среды и услловий оксидир
рования его по
оверхзависят отт температуры
ности;
мпература поотока, контакттирующего с образцом, нее изменяется вдоль
3) тем
поверхноссти контакта.
I
ISSN
0136-58355. Вестник ТГТУ. 2012. Том 18
8. № 4. Transacttions TSTU
931
Т, °С
80
2
60
1
40
20
0
0
30
60
90
120 150 180 210 24
40 270 300 33
30 360 390 42
20
τ, с
Рис. 4. Пример графи
иков нагрева образцов
о
с чистым оксидиро
ованным покры
ытием (1)
и наномодфици
ированным окссидированным
м покрытием при
п концентра
ации
УНТ ««Таунит» в электролите окси
идирования 700 мг/л (2)
Неестационарноое температур
рное поле пло
оской неогран
ниченной пласстины является решением слеедующей задаачи теплопровводности:
∂ t ( x, τ )
∂ 2 t ( x, τ )
=a
,
∂τ
∂ x2
0 ≤ x ≤ R, τ > 0;
(1)
t ( x, 0 ) = f ( x ) ;
(2)
∂ t (0, τ)
λ
− α1 (t (0, τ) − tc1 ) = 0;
∂x
(3)
∂ t ( R, τ )
+ α 2 (t ( R, τ) − tc 2 ) = 0.
∂x
(4)
λ
Реешение задачи
и (1) – (4) имееет вид
t (x, τ ) = A x + B +
∞
U (μ n , τ ) W ( x , μ n )
,
Zn
n =1
∑
(5)
где
A=
Zn =
μn
tc2 − tc1
λ
, B = tc1 +
A;
α1
⎛ 1 R 1 ⎞
+ +
λ⎜
⎟
⎝ α1 λ α 2 ⎠
1
(R μ n − sin (μ n R + ϕ n )cos (μ n R + ϕ n )+ sin (ϕn ) cos(ϕn ));
2 μn
⎛ λμ ⎞
ϕ n = arctg⎜ n ⎟ ;
⎝ α1 ⎠
– n-й
n положителльный корень уравнения
(
(7)
(8)
λ μn
cos(μ n R + ϕ n ) + sin (μ n R + ϕ n ) = 0 ;
α2
W ( x, μ n ) = sin (μ n x + ϕ n );
(6)
(9)
(10)
)
U (μ n , τ) = U (μ n ,0) expp − a μ 2n τ ;
(11)
R
∫
U (μn , 0) = ( f ( x ) − A x − B)W ( x, μn ) dx .
0
932
ISSN 0136-55835. Вестник ТГТУ.
Т
2012. То
ом 18. № 4. Tran
nsactions TSTU
(12)
Таким
м образом, вы
ыражение (5) определяет
о
реш
шение задачи (1) – (4). В чаастном
случае начальные услоовия задаютсяя безградиенттными, то ессть f (x) = t0 = сonst.
В этом слу
учае интегралл в выражении
и (12) берется аналитически
и.
Для определения коэффициентта теплоотдач
чи при извесстной зависи
имости
t(x, τ) необ
бходимо реш
шить обратную
ю задачу мин
нимизации ср
реднеквадрати
ичного
отклонени
ия расчетной ккривой t(x, τ) от эксперимеентально полу
ученной. Для этого
при решен
нии задачи (1)) – (4) задаетсяя некоторое начальное
н
приближение знаачения
коэффициеента теплоотд
дачи α = αн и решается
р
задаача оптимизаци
ии с варьировванием
значений α при имеющи
ихся эксперим
ментальных зн
начениях tэ(x, τ):
τ необходим
мо найти такую функцию
ф
t(x, ττ), для которой
й критерий K = max t ( x, τ) − t э ( x, τ) → min.
x0 ≤ x ≤ x1
Экспееримент и реш
шение обратн
ной задачи каж
ждый раз про
оизводились при
п заданных температуре, сккорости потокка среды и шер
роховатости поверхности.
п
В реззультате провееденных вычи
ислений были
и получены слледующие резу
ультаты (рис. 5): при добавллении в электр
ролит оксиди
ирования УНТ
Т «Таунит» ко
онцентрацией 700
7 мг/л набллюдается увелличение коэф
ффициента теп
плоотдачи до
о 16 %
при скороссти потока вооздуха 1 м/с, до
д 19 % – при скорости поттока воздуха 3 м/с и
до 22 % – при скорости
и потока возду
уха 5 м/с по сравнению
с
с образцами
о
без оксидированно
ого покрытия.
После проведенияя ряда экспер
риментов былли обработаны
ы полученныее табличные даанные и аппрооксимированы
ы методом нар
ращивания [9]]. В результатте получено слеедующее аппрроксимирующ
щее выражениее
α( w, T , C УН
3 ,853 w + 0,20
037 T + 0,0198 C УНТ −
НТ ) = −3,393 + 32
(13)
2
− 3,6968 w2 − 1,106 ⋅10 − 5 C УНТ
.
Погреешность аппрроксимации, вычисленная по
п формуле
Δ=
1
n
n
∑ (α(wi , Ti , CУНТ i ) − α экс i )2 ,
(14)
i =0
составила 5 %, что соиззмеримо с поггрешностью измерения
и
пер
ременных в пр
роцесимента.
се экспери
Аппр
роксимирующ
щее выражениее (13) справеедливо в диап
пазонах измен
нения:
40 °С ≤ T ≤ 100 °С; 1 м/сс ≤ w ≤ 5 м/с; 0 мг/л ≤ СУНТТ ≤ 1600 мг/л.
Δα
α, %
25
5
20
0
15
5
3
2
1
10
0
5
0
0
200
400
600
800
100
00 1200
14
400
Cунт, мг/л
м
Рис. 5. Зави
исимость измеенения значени
ия коэффициента теплоотда
ачи от конценттрации
УНТ «Т
Таунит» при скорости поток
ка воздуха 1 (1)), 3 (2), 5 (3) м/сс у поверхносттей
ностями
с оксидироваанным покрыттием по сравнеению с поверхн
без оксидир
рованного пок
крытия
I
ISSN
0136-58355. Вестник ТГТУ. 2012. Том 18
8. № 4. Transacttions TSTU
933
Выводы
1. Нанесение наномодифицированного оксидированного покрытия на алюминиевую поверхность изменяет ее свойства. В частности, увеличивается шероховатость.
2. Экспериментально установлено увеличение значения коэффициента теплоотдачи у наномодифицированных оксидированных покрытий в сравнении с
чистыми неоксидированными покрытиями.
3. Максимальные улучшения шероховатости и коэффициента теплоотдачи
достигаются при добавлении в электролит оксидирования УНТ «Таунит» концентрацией 700 мг/л. Шероховатость поверхности, в частности среднее арифметическое отклонение профиля, увеличивается на 88 %; значение коэффициента теплоотдачи от полученных поверхностей к воздуху при обдуве 1…5 м/с увеличивается
на 22 % по сравнению с чистыми не оксидированными покрытиями.
4. Проверена гипотеза возникновения данного эффекта: полученный в результате оксидирования микрорельеф поверхности влияет на увеличение шероховатости теплоотдающей поверхности, а это, в свою очередь, влияет на увеличение
значения коэффициента теплоотдачи.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и
научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы при поддержке государственного контракта № 14.740.11.1372.
Список литературы
1. Кунтыш, В.Б. Исследование теплоотдачи и сопротивления шахматных
пучков воздухоохлаждаемых теплообменников из труб с накатными алюминиевыми ребрами различной высоты / В.Б. Кунтыш, А.Б. Сухоцкий, А.Э. Пиир //
Хим. и нефтегазовое машиностроение. – 2010. – № 12. – С. 3–5.
2. Лашутина, Н.Г. Техническая термодинамика с основами теплопередачи и
гидравлики / Н.Г. Лашутина. – М. : Машиностроение. – 1988. – 336 с.
3. Исследование теплообмена при импульсном нагреве модельных фрагментов оболочек ТВЭЛов / А.А. Стаханова [и др.] // Теплоэнергетика. – 2011. – № 7. –
С. 65–72.
4. Галущак, И.В. Метод численного моделирования теплового состояния
трубы с просечным спирально-ленточным оребрением / И.В. Галущак, В.Я. Горбатенко, А.А. Шевелев // Теплоэнергетика. – 2011. – № 5. – С. 72–76.
5. Исследования теплообмена в энергетических установках и аппаратах в
объединенном институте высоких температур РАН (к 50-летию института) /
Ю.А. Зейгарник [и др.] // Теплоэнергетика. – 2011. – № 4. – С. 2–6.
6. Письменный, Е.Н. Эффективные теплообменные поверхности из плоскоовальных труб с неполным оребрением / Е.Н. Письменный // Теплоэнергетика. –
2011. – № 4. – С. 7–12.
7. Телевный, А.М. Экспериментальное исследование процессов тепло- и
массообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой
поверхностью / А.М. Телевный, А.Б. Гаряев, И.В. Сынков // Энергосбережение и
водоподготовка. – 2010. – № 2. – С. 49–51.
8. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. – М. : Высшая школа. –
1967. – 600 с.
9. Литовка, Ю.В. Алгоритм векторной аппроксимации экспериментальных
данных / Ю.В. Литовка // Методы кибернетики химико-технологических процессов : тез. докл. IV Междунар. науч. конф. / Рос. хим.-технол. ун-т им. Д.И. Менделеева. – М., 1994. – С. 159–160.
934
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. № 4. Transactions TSTU
Heat Transfer Enhancement on the Aluminum Surface
by their Oxidation with Nanomodified Electrolytes
А.А. Gravin1, Yu.V. Litovka1, Е.N. Tugolukov2,
А.G. Tkachyov2, I.А. Dyakov1, А.N. Pakhomov3
Departments: “Systems of Computer Aided Design” (1);
nagval_89@mail.ru;
“Technology and Methods of Nanoproducts Manufacturing” (2),
“Technological Processes and Apparatuses” (3), TSTU
Key words and phrases: carbon nanotubes; electroplating processes; heat
transfer intensification; inverse problem of non-stationary heat conductivity; roughness
increase.
Abstract: The method to increase the roughness and heat transfer has been
considered. The appropriateness of using nanosized materials to achieve this goal has
been verified; positive effect of their application has been revealed. The hypothesis of
the effect has been experimentally tested.
Intensivierung der Wärmeabgabe auf den Aluminiumoberflächen
mittels ihres Oxidierens von den nanomodifizierten Elektrolyten
Zusammenfassung: Es ist die Weise der Vergrößerung der Unebenheit und der
Intensivierung des Wärmeaustausches betrachtet. Es ist die Zweckmäßigkeit der
Nutzung der nano-dispersen Materialien für die Errungenschaft des gestellten Ziels
detailliert rechtfertigt und es ist das positive Ergebnis ihrer Anwendung gezeigt. Es ist
die Hypothese der Entstehung des gegebenen Effektes experimental geprüft.
Intensification de l’abandon de chaleur sur les surfaces d’aluminium
par leur oxydation par les ions nanomodifiés
Résumé: Est examiné le moyen de l’augmentation de la rigosité et de
l’intensification de l’échange de chaleur. Est argumentée en détail la rationnalité de
l’emploi des matériaux nanodispersés pour l’obtention du but posé, et déduit le résultat
positif de leur application. Est vérifiée par expériment l’hypothèse de l’apparition de
l’effet donné.
Авторы: Гравин Артем Андреевич – аспирант кафедры «Системы автоматизированного проектирования»; Литовка Юрий Владимирович – доктор технических наук, профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования»; Туголуков Евгений Николаевич – доктор технических наук, профессор кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»; Ткачёв Алексей
Григорьевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологии производства нанопродуктов»; Дьяков Игорь Алексеевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования»; Пахомов Андрей Николаевич – кандидат технических наук, доцент
кафедры «Технологические процессы и аппараты», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Долгунин Виктор Николаевич – доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии продовольственных продуктов», ФГБОУ ВПО
«ТГТУ».
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. № 4. Transactions TSTU
935
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа