автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Модернизация технологии нанесения электрохимических оксидных покрытий на алюминиевые поверхности для интенсификации теплоотдачи

а правах рукописи

ГРАВИН АРТЕМ АНДРЕЕВИЧ

МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИЕВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ

05.17.03 — Технология электрохимических процессов и защита от коррозии

1 О Ш 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2015

005569934

005569934

Работа выполнена на кафедрах «Техника и технологии производства нано-продуктов», «Системы автоматизированной поддержки принятия решений» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») и научно-образовательном центре «Безотходные и малоотходные технологии» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») - федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (ФГБНУ «ВНИИТиН»),

Научный руководитель Литовка Юрий Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Перелыгин Юрий Петрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Химия»

Ившин Яков Васильевич, доктор химических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры «Технологии электрохимических процессов»

Ведущая организация Энгельсский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Защита состоится 23.06.2015 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.06 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, конференц-зал АРТЕСН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ» и на официальном сайте: http://www.tstu.ru.

Автореферат разослан 23 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Зарапина Ирина Вячеславовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Интенсификация теплоотдачи от элементов оборудования химико-технологических схем, в которых протекают тепловые процессы, является в настоящее время актуальной задачей вследствие постоянно возрастающих требований к повышению энергоэффективности.

На теплоотдачу влияет множество теплофизических, геометрических и других факторов. Для интенсификации теплоотдачи могут применяться различные методы, использующие разнообразные конструктивные решения, эффективные режимные параметры, соответствующие характеристики теплоносителя и некоторые другие.

Научными исследованиями в данных направлениях занимались отечественные и зарубежные учёные (например, А. М. Телевный, В. Б. Кунтыш, Е. Н. Письменный, М. J. Biercuk, М. С. Llaguno, С. W. Nan). Несмотря на полученные положительные результаты, имеется ряд доводов, в связи с которыми можно сделать вывод о том, что данное направление требует новых технологических решений.

Повышение теплоотдачи с помощью изменения поверхности известными в настоящее время способами (механическое получение микроструктурированных покрытий, расположение на поверхности микротурбулизаторов и др.) не всегда решает поставленную задачу с высокой эффективностью и простотой реализации (дополнительное дорогостоящее оборудование, серьёзные энергетические затраты и др.). Одним из перспективных и малоизученных направлений в данной области является применение модифицированных наноматериалом электрохимических покрытий на теплоотдающие элементы энергетического оборудования.

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.

Цель исследования. Модернизация технологии нанесения электрохимических оксидных покрытий на алюминиевые поверхности для интенсификаци теплоотдачи.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обобщить литературные сведения по существующим методам интенсификации теплоотдачи и проанализировать их достоинства и недостатки.

2. Исследовать процесс нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий на поверхности алюминия.

3. Установить зависимость увеличения теплоотдачи от концентрации наноматериала в электролите анодирования при нанесении модифицированных электрохимических оксидных покрытий на алюминиевые поверхности.

4. Выявить механизм влияния наноматериала на изменение теплоотдачи.

5. Провести математическое моделирование разработанных методов.

Научная новизна работы. Модернизирована технология нанесения электрохимических оксидных покрытий на теплоотдающие алюминиевые поверхности дополнительными этапами: 1) распределения углеродного нанома-териала «Таунит» в электролите воздействием ультразвукового диспергирования или с использованием растворимых таблеток; 2) поддержания рабочей концентрации наноматериала в электролите.

Экспериментально подтверждена возможность использования модернизированной технологии для интенсификации теплообменных процессов на теплоотдающих поверхностях алюминия.

Теоретически обоснована природа влияния нанесения модифицированного покрытия на тепловые свойства получаемых поверхностей.

Объектом исследования являются электрохимические процессы, позволяющие получить покрытия с улучшенными качественными показателями.

Предметом исследования является процесс нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий на алюминиевые (сплав АМгЗ) поверхности.

Практическая значимость. Разработан способ повышения теплоотдачи с помощью микротурбулизирующих частиц и получен патент на изобретение по данному способу № 2511806.

Разработана технологическая схема для интенсификации теплоотдачи электрохимическим путём, включающая в себя распределение наноматериала в электролите анодирования алюминия, нанесение модифицированных углеродным наноматериалом электрохимических оксидных покрытий на алюминиевые поверхности, поддержание рабочей концентрации наноматериала в электролите.

Полученный технологический процесс может быть использован в промышленности для производства покрытий радиаторов, испарителей, конденсаторов, теплообменников, использующих жидкие и газовые фазы с целью увеличения их теплоотдающих свойств.

Достоверность результатов подтверждается применением в работе современных методов исследования, многократным повторением экспериментов и высокой степенью воспроизводимости результатов. Экспериментальные данные были статистически обработаны.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на промышленных предприятиях Российской Федерации: ООО «На-ногальваника», Тамбов; ООО «НаноТехЦентр», Тамбов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Модернизированная технология нанесения электрохимических оксидных покрытий на алюминиевые поверхности для интенсификации теплоотдачи

2. Способ повышения теплоотдачи с помощью микротурбулизирующих частиц.

3. Экспериментальные результаты влияния концентрации УНТ «Таунит» на оптические и электропроводящие свойства электролитов.

4. Закономерности влияния концентрации УНТ «Таунит» на качественные показатели покрытий (неравномерность, шероховатость, теплоотдача).

5. Механизм влияния нанесения модифицированного покрытия на тепловые свойства получаемых поверхностей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: XXV-XXVI международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Волгоград, Саратов, 2012-2013 гг.); 9-10 международной конференциях «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2012-2013 гг.); XXV Международном совещании «Совершенствование технологии гальванических покрытий» (Киров, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «DNY VEDY-2012» (Прага, 2012 г.); IX Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2012 г.); VI Международной научно-практической конференции «Тенденции и инновации современной науки» (Краснодар, 2013 г.); II Международной заочной научной конференции для молодых учёных, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы» (Саратов, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества» (Тамбов, 2013 г.); I Международной научно-практической конференции «Современные предпосылки развития инновационной экономики» (Тамбов, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы технических наук» (Уфа, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Глобализация науки: проблемы и перспективы» (Уфа, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Strategiczne pytania» (Пшемысль, 2014 г.).

Личный вклад соискателя в работы, выполненные в соавторстве, заключается в постановке задачи исследования, участии во всех этапах эксперимента, обработке и интерпретации полученных результатов.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 25 публикациях, из них 7 в журналах, рекомендованных ВАК РФ (из них 1 публикация в журнале, индексированном в БД SCOPUS).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и обобщающих выводов, списка используемых источников и приложения. Диссертация содержит 129 страниц машинописного текста, в том числе 60 рисунков, 17 таблиц, список цитируемых источников включает 183 наименования публикаций отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение. Подробно обоснована актуальность задач данной работы, научная новизна исследования и его практическая значимость, сформулированы основные цели и задачи. Также обозначены положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы с целью анализа современных методов интенсификации теплоотдачи, в частности, связанных с

использованием наноматериалов. Рассмотрены электрохимические процессы изменения теплоотдаюших поверхностей.

На основании проведённого анализа можно сделать вывод, что исследования в области интенсификации процессов теплоотдачи проводятся в течение длительного времени, и, тем не менее, становятся всё более актуальными вследствие постоянно возрастающих требований к повышению эффективности производственного оборудования. Одним из перспективных направлений интенсификации теплообмена является использование нанодисперсных материалов в электрохимических процессах.

Вторая глава посвящена описанию метода нанесения модифицированных оксидных покрытий на поверхности алюминия для интенсификации теплоотдачи.

Для нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических покрытий использовался нанодисперсный материал, а именно, фуллеренопо-добные углеродные нанотрубки (УНТ) - наноуглеродный материал, зарегистрированный под торговой маркой «Таунит», который производится в ООО «НаноТехЦентр» и представляет собой длинные полые волокна, состоящие из графеновых слоев - не более 30, диаметр 10...60 нм. При этом количество структурированного углерода не менее 95%.

В качестве модифицирующего углеродного материала использовались для сравнения: технический углерод П 324, мелкодисперсный графит ГАК 2, углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит-ГМ».

Ниже описан процесс анодирования алюминиевых образцов:

1. Обезжиривание. Состав водного раствора для обезжиривания: тринат-рийфосфат - 40 г/л; кальцинированная сода - 40 г/л; композиция «ЭКОМЕТ-012у» - 12 г/л; температура 60...70 °С; время 10 мин.

2. Промывка в тёплой воде. Температура 40.. .60 °С; время 2 мин.

3. Травление. Состав водного раствора для травления: гидроксид натрия 70 г/л; композиция «ЭКОМЕТ-А180» - 4 г/л; температура 50...70 °С; время 5 мин.

4. Промывка в тёплой воде. Температура 40.. .60 °С; время 2 мин.

5. Промывка в холодной воде. Температура 20.. .25 °С; время 2 мин.

6. Осветление. Состав водного раствора для осветления: серная кислота -150 г/л; композиция «ЭКОМЕТ-А190» — 4 г/л; температура 20...25 °С; время 5 мин.

7. Промывка в холодной воде. Температура 20.. .25 °С; время 2 мин.

8. Анодное оксидирование. Состав водного раствора для анодного оксидирования: серная кислота - 200 г/л; композиция «ЭКОМЕТ-А200» - 27 г/л; порошок УНТ «Таунит» 100... 1600 мг/л. Перед началом процесса осуществляли распределение углеродной добавки в электролите путём обработки всего объёма в ультразвуковом диспергаторе с частотой 22 кГц, амплитудой 80 мкм и интенсивностью звука 786 Вт/см2 (так же проводились эксперименты с использованием барботажного перемешивания и таблетированной формы добавления наноматериала в электролит). Напряжение на ванне 12... 15 В; плотность тока 1...2 А/дм2; температура 18...22 °С; время 20 мин.

9. Выдержка в электролите. Время 30.. .60 с.

10. Промывка в холодной воде. Температура 20...25 °С; время 2 мин.

11. Уплотнение. Состав водного раствора для уплотнения: композиция «ЭКОМЕТ-А210» - 100 мг/л. Температура 20...25 °С; время 15 мин.

12. Промывка в холодной воде. Температура 20.. .25 °С; время 2 мин.

13. Сушка. Температура 60...65 °С.

Была выдвинута гипотеза: добавление нанодисперсных материалов в электролит анодирования позволяет получить специфический микрорельеф оксидного покрытия, состоящий из выпуклостей с формой, близкой конусу. При этом данные выпуклости распределяются по поверхности равномерно и внутри каждой из них находятся углеродные нанотрубки. Увеличение шероховатости поверхности обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи. На рисунке 1 представлены фотографии поверхностей без покрытия, с чистым оксидным покрытием и с модифицированным наноматериалом электрохимическим оксидным покрытием.

Рис. 1. Фотографии поверхностей, сделанные с увеличением 850х без покрытия (1), с чистым оксидированным покрытием (2), с наномодифицированным оксидированным покрытием при добавлении УНТ «Таунит» в количестве 100 мг/л (3), с наномодифицированным оксидированным покрытием при добавлении УНТ «Таунит» в количестве 700 мг/л (4)

При этом было установлено, что оптическая плотность электролита анодирования алюминия изменяется при добавлении различной концентрации наноматериала, что необходимо учитывать при нанесении модифицированных наноматериалом оксидных покрытий алюминия (рис. 2).

На основании разработанного ранее оптического метода измерения концентрации углеродного наноматериала «Таунит» в растворах электролитов была использована зависимость значений оптической плотности от концентрации УНТ «Таунит» в растворе электролита анодирования, которая была аппроксимирована выражением

CymAN = 176,86-£2-81,81 -£ + 15,71.

Полученное выражение применяется для определения текущей концентрации и потребности добавления в раствор дополнительно наноматериала УНТ «Таунит» для поддержания нужной концентрации. Производится измерение значения оптической плотности раствора, далее вычисляется значение текущей концентрации УНТ «Таунит» в электролите, делается вывод о необходимости добавления в электролит порошка УНТ «Таунит».

Рис. 2. Зависимость оптической плотности электролита анодирования от концентрации УНТ «Таунит»

Третья глава посвящена изложению и анализу результатов, полученных при экспериментальных исследованиях теплоотдачи.

В качестве основного критерия для поиска оптимальных параметров процесса нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий алюминия было выбрано значение коэффициента теплоотдачи, на который напрямую влияет такой параметр, как шероховатость. Значение неравномерности получаемого покрытия было принято как дополнительный критерий.

Для исследования процесса теплоотдачи алюминиевых образцов к воздуху была разработана экспериментальная многорежимная установка, схема которой представлена на рис. 3, позволяющая производить измерение теплоотдачи в диапазоне температур 40...280 °С. Мощность установленного тепло-энергонагревателя 2 кВт. Скорость обдува материала может варьироваться от 0,5 до 25 м/с.

Рис. 3. Схема многорежимной экспериментальной установки:

1 - вентилятор; 2 — кожух защитный; 3 - электронагреватель; 4 - слой теплоизоляционного материала; 5 - термопары; 6 ~ контрольный и испытуемый образцы; 7-держатель; 8- система управления и регулирования температуры и скорости потока воздуха; 9 - электронный самопишущий регулятор температуры; 10 — точка, где происходит измерение скорости потока воздуха

Вычисление значений коэффициентов теплоотдачи производилось на основе аналитического решения обратной задачи нестационарной теплопроводности в однослойной неограниченной пластине. При этом были приняты следующие допущения:

1. Расчёт вёлся для плоской неограниченной пластины в связи с тем, что теплоотдача с торцов образцов пренебрежимо мала.

2. Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности образца не зависят от температуры окружающей среды и условий оксидирования его поверхности.

3. Температура потока, контактирующего с образцом, не изменяется вдоль поверхности контакта.

Нестационарное температурное поле плоской неограниченной пластины является решением следующей задачи теплопроводности:

4 =а—0<х<Л, т>0; (1)

9т дх

((х, 0)=/(х); (2)

Х^М_а1(,(о>т)-,с1)=0; (3)

СХ

+ о. (4)

дх

Решение задачи (1) - (4) имеет вид

,(*, (5)

где

И = 1

А= , ;с2 ;с| . в=1с1+—А,

1 Л 1

— + —+ —

а, X а2у

а

г„= —(лцп-5т^иЛ + ф„)со5(р„Л + ф„)+5т(фл)соз(ф„)), 2 Р„

Ф „ = ап^

V

р„ — «-Й положительный корень уравнения.

— сов(ц/г +Ф„)+ Бт(рЛ + фл)=0, Ж(х,р„) = 51п(р„х+фл), а2

к

£/(ци,т)=С7(цл>0)ехр(-а^Т), {/(ц„,0)= ¡(/(х)-Ах-В)1У(х,ц„)ск. (6)

Таким образом, выражение (5) определяет решение задачи (1) - (4). В частном случае начальные условия задаются безградиентными, т.е. /(х) = t0 = const. В этом случае интеграл в выражении (6) берётся аналитически.

Для определения коэффициента теплоотдачи при известной зависимости t(x, т) необходимо решить обратную задачу минимизации среднеквадратичного отклонения расчётной кривой t(x, т) от экспериментально полученной. Для этого при решении задачи (1) - (4) задаётся некоторое начальное приближение значения коэффициента теплоотдачи а = ан и решается задача оптимизации с варьированием значений а при имеющихся экспериментальных значениях t3(x, т): необходимо найти такую функцию t(x, т), для которой критерий К= max \t{x, x)-t3(x, т)|н>тт.

x0<x<x-i

В результате проведённых вычислений были получены следующие результаты (рис. 4): при добавлении в электролит оксидирования УНТ «Таунит» концентрацией 600 мг/л наблюдается увеличение коэффициента теплоотдачи до 17% при скорости потока воздуха I м/с и до 24% при скорости потока воздуха 5 м/с по сравнению с образцами без оксидного покрытия.

35 ;

-г—щ.....

~......•• -6*&>-Xt: < 1 ........

j Zl \

j j м и

0 «0:5 Ш Ш $00 •0 ЙСтС UQ0 то мво

Рис. 4. Зависимость относительного изменения коэффициента теплоотдачи от концентрации УНТ «Таунит» при скорости воздушного потока 1 м/с, 3 м/с, 5 м/с у поверхностей с модифицированным электрохимическим оксидным покрытием

по сравнению с поверхностями без модифицированного электрохимического покрытия (на графике Сунт = 0 мг/л — чистое электрохимическое оксидное покрытие)

Что касается изменения критерия неравномерности, установлено, что наименьшее значение критерия неравномерности достигается при концентрации УНТ «Таунит» в растворе анодирования 1600 мг/л. При этом значение критерия неравномерности возрастает при росте концентрации УНТ «Таунит» в растворе анодирования до 600 мг/л, после чего начинает убывать.

Значения параметров шероховатости поверхностей алюминия изменились следующим образом: значение среднего арифметического отклонения профиля покрытия (Ка) увеличилось на 157%; значение высоты неровностей профи-

ля покрытия (Яг) увеличилось на 200%; значение среднеквадратического отклонения профиля покрытия (Яц) увеличилось на 122%; значение общей высоты между пиком и впадиной профиля покрытия (Ш) увеличилось на 275% для модифицированного наноматериалом электрохимического оксидированного покрытия (концентрация УНТ «Таунит» в электролите 600 мг/л) по сравнению с чистой непокрытой алюминиевой поверхностью. Данный факт говорит о том, что при данной концентрации образуется максимальное количество агломератов УНТ «Таунит». Дальнейшее её увеличение, приводит к увеличению размеров сегрегации УНТ «Таунит» и уменьшению их числа. Это также доказывает то, что шероховатость получаемых поверхностен в данном случае напрямую влияет на значение коэффициента теплоотдачи. Во всех проведённых экспериментах данная зависимость не нарушается.

В целях выявления оптимальных параметров процесса модифицированного анодирования алюминия проводились серии экспериментов. Помимо серий экспериментов, в которых выяснялась оптимальная концентрация углеродного материала в электролите и лучший вид углеродного материала, были также проведены эксперименты при различных плотностях тока (от 1 до 2 А/дм2) при различных типах перемешивания углеродного материала (ультразвуковое, с использованием таблетированной формы добавления наноматериала в электролит, барботажное).

При исследовашш плотности тока за контрольное было взято значение 1,5 А/дм2, которое чаще всего используется в исследуемом процессе. Так же проводились эксперименты при плотности тока 1 А/дм2 и 2 А/дм2. В таблице 1 представлено изменение значения коэффициента теплоотдачи у модифицированных наноматериалом покрытий (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 наноматериалом электрохимических оксидных покрьтш при плотности тока 1,5 А/дм ; наименьшее значение критерия неравномерности рассматриваемых покрытий получено при 2 А/дм2.

В качестве возможной альтернативы добавления в электролит анодирования УНТ «Таунит» бьшо исследовано добавление порошков технического углерода «П 324» и мелкодисперсного графита «ГАК-2». Так же исследования проводились при добавлении нанодисперсного графеноподобного углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит-ГМ». Значение коэффициента теплоотдачи для полученных поверхностей оказалось меньше, чем при анодировании с использованием УНТ «Таунит» (табл. 1); значение критерия неравномерности ниже у полученных поверхностей.

После проведения нескольких серий экспериментов с образцами, модифицированными электрохимическим оксидным покрытием, полученным из электролитов с использованием наноматериала «Таунит-ГМ» с концентрацией 400...800 мг/л, были получены следующие результаты: добавление УНМ «Таунит-ГМ» в электролит анодирования позволяет получить меньшее по величине

1. Значения относительного изменения коэффициента теплоотдачи модифицированных электрохимических оксидных покрытий алюминиевых поверхностей при разных плотностях тока, видах углеродного дисперсного материала и способе его распределения в электролите

Да, % ./, А/дм2 Распределение Дисперсный углеродный

1 м/с 5 м/с в электролите материал

5,59 12,84 1 Ультразвуковое УНТ «Таунит» (600 мг/л)

1,87 1,67 2 Ультразвуковое УНТ «Таунит» (600 мг/л)

17,23 23,91 1,5 Ультразвуковое УНТ «Таунит» (600 мг/л)

9,92 12,97 1,5 Барботажное УНТ «Таунит» (600 мг/л)

11,28 12,1 1,5 Таблетированная форма УНТ «Таунит» (600 мг/л)

8,98 13,13 1,5 Ультразвуковое УНМ «Таунит-ГМ» (600 мг/л)

1,98 1,21 1,5 Ультразвуковое Графит «ГАК-2» (600 мг/л)

2,83 8,57 1,5 Ультразвуковое Технический углерод «П 324» (600 мг/л)

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%). Распределение наномате-риала в электролите анодирования производилось как с использованием ультразвукового оборудования, так и без него.

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 УНМ «Таунит-ГМ».

Сравнительный анализ различных видов распределения в электролите нанодисперсного материала УНТ «Таунит» был также проведён автором. При этом для распределения наноматериала использовалась таблетированная форма добавления в электролит, барботажное перемешивание и ультразвуковая диспергация.

Таблетированная форма УНТ «Таунит» представляет собой смесь: УНТ «Таунит» - 6,3%; сода - 63,5%; лимонная кислота - 15,1%; поливинилпир-ролидон (ПАВ) -15,1%.

Параметры барботёра: мощность 12 Вт; производительность 9 л/мин; диаметр отверстий в воздушной трубке 1 мм; давление 0,012 МПа.

Ультразвуковое распределение проводилась в диспергаторе с частотой 22 кГц. Интенсивность ультразвуковой обработки: амплитуда 80 мкм; интенсивность звука 786 Вт/см2.

Полученные с применением различных способов распределения УНТ «Таунит» растворы анодирования алюминия использованы при нанесении на алюминиевые поверхности модифицированных наноматериалом покрытий. Значение коэффициента теплоотдачи оказалось максимальным при использовании ультразвукового распределения, значение критерия неравномерности минимально при барботажном перемешивании.

В четвертой главе приводится математическое моделирование разработанного метода интенсификации теплоотдачи.

Интенсификацию теплоотдачи при нанесении модифицированных наноматериалом электрохимических покрытий можно объяснить влиянием двух факторов: а) увеличением площади теплообменной поверхности; б) образованием в приповерхностной части теплового пограничного слоя, соответствующего высоте выступов рельефа поверхности.

Увеличение площади теплообменной поверхности можно рассчитать, принимая некоторые допущения. Пусть элементы рельефа представляют собой конусы с радиусом основания г, высотой к и занимают долю поверхности а высота профиля исходного рельефа /;0 < Ь. Тогда доля объёма элементов рельефа в объёме слоя толщиной превышения рельефа над высотой исходных шероховатостей (на единицу площади теплообменной поверхности) равна

где Ук) — доля объёма элементов рельефа в объёме слоя; Ук — объем элементов рельефа; — 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 та оснований на уровне теплообменной поверхности на единице площади теплообменной поверхности:

Д ^б-^О ( И ^

пг2

=/

кг у

где Дл - относительное повышение площади поверхности теплообмена; .^б - суммарная площадь поверхности элементов рельефа (конусов); - сум-

марная площадь оснований элементов рельефа; Sos — площадь теплообменной поверхности при отсутствии элементов рельефа.

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 А может быть определена по относительному изменению коэффициента теплоотдачи:

«i

где — коэффициент теплоотдачи к поверхности с модифицированным нано-материалом электрохимическим покрытием; a - коэффициент теплоотдачи к исходной поверхности покрытию.

Коэффициент теплоотдачи а 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

Nu =0,021 Re0'8 Pr0'4,

ctd „ wdp „ u ,

где Nu=-; Re=-; Рг=-!—; w - средняя скорость потока, м/с; а - диаметр

X \1 сХ

(эквивалентный) канала, м; с, р, р, X — соответственно теплоёмкость, Дж/(кг-К), плотность, кг/м3, динамическая вязкость, Па-с, теплопроводность, Вт/(м-К) вещества при температуре потока.

Коэффициент теплоотдачи ai может быть определён как величина, обратная сумме термических сопротивлений теплового пограничного слоя:

1

ai -'

1=1

где 5, - толщины слоёв, составляющих тепловой пограничный слой, м; X¡ -теплопроводности слоёв, составляющих тепловой пограничный слой, Вт/(м-К). Общая толщина теплового пограничного слоя, м, может быть оценена

8, =—. Для сравнения, ориентировочная толщина ламинарного пограничного a

d

гидродинамического слоя, м: 8„ =—^.

Re0,5

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.

Предположим, что эквивалентная теплопроводность слоя Хе, Вт/(м-К), включающего элементы рельефа поверхности, определяется аддитивно:

где Хн — теплопроводность материала поверхности, Вт/(м-К).

В результате проведённых экспериментов и расчётов были сделаны выводы:

- площадь поверхности теплообмена за счёт образования микрорельефа в рассмотренном случае повысилась незначительно (находится в диапазоне погрешностей оценочных расчётов);

- основным фактором, влияющим на интенсификацию теплоотдачи при нанесении модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий, является образование в приповерхностной части теплового пограничного слоя;

- сопоставление экспериментально-полученных данных с результатами математического моделирования подтверждает выдвинутую гипотезу интенсификации теплоотдачи.

ВЫВОДЫ

1. Обобщены и проанализированы литературные данные по существующим методам интенсификации теплообмена и определены область применения, достоинства и недостатки известных методов, что позволило определить цель и задачи настоящей работы.

2. Модернизирована технология нанесения модифицированных наноматериалом электрохимических оксидных покрытий на теплоотдающие алюминиевые поверхности, что позволило повысить значение коэффициента теплоотдачи на 24%.

3. Экспериментально подтверждены положительные результаты применения данной технологии и, тем самым, обосновано её применение в промышленности, что представляет данное исследование актуальным и востребованным.

4. Теоретически обоснован механизм влияния нанесения модифицированного покрытия на тепловые свойства получаемых поверхностей: интенсификация теплоотдачи происходит из-за повышения площади теплообменной поверхности и образования в приповерхностной части теплового пограничного слоя, соответствующего высоте выступов рельефа поверхности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Статьи в реферируемых журналах, индексированных в БД SCOPUS'.

1. Интенсификация теплообмена при нанесении наномодифицирован-ных гальванических покрытий на теплоотдающие поверхности / Ю. В. Литовка, Е. Н. Туголуков, А. Г. Ткачев, И. А. Дьяков, А. А. Гравин, Р. Ю. Мухин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2012. — № 9. - С. 10 - 13.

Статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

2. Интенсификация теплоотдачи на алюминиевых поверхностях путём оксидирования их наномодифицированными электролитами / Ю. В. Литовка, Е. Н. Туголуков, А. Г. Ткачев, И. А. Дьяков, А. А. Гравин, А. Н. Пахо-мов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2012. - Т. 18, № 4. - С. 928 - 935.

3. Интенсификация теплообмена за счёт изменения шероховатости поверхностей наномодифицированными электрохимическими покрытиями / Ю. В. Литовка, А. А. Гравин, Р. Ю. Мухин, И. А. Дьяков, Р. А. Столяров // Нанотехника. - 2012. - № 4(32). - С. 21 - 24.

4. Интенсификация теплоотдачи от поверхностей с наномодифицированными гальваническими покрытиями / Ю. В. Литовка, Е. Н. Туголуков, А. Г. Ткачев, И. А. Дьяков, А. А. Гравин, Р. Ю. Мухин // Тепловые процессы в технике. - 2013. - Т. 5, № 4. - С. 170 - 176.

5. Гравин, А. А. Исследование процесса нанесения модифицированных электрохимических оксидных покрытий и их влияние на теплоотдачу / А. А. Гравин, Ю. В. Литовка // Вестник Тамбовского государственного технического университета.-2013. - Т. 18, №4.-С. 813-820.

6. Гравин, А. А. Использование углеродных наноматериалов для увеличения коэффициента теплоотдачи модифицированных электрохимических оксидных покрытий алюминия / А. А. Гравин, Ю. В. Литовка // Вопросы современной науки и практики. Университет имени В. И. Вернадского - 2014 -№3(53).-С. 220-226.

7. Процесс нанесения электрохимических покрытий из электролитов с добавлением наноматериалов для интенсификации теплоотдачи / А. А. Гравин, Р. Ю. Мухин, Ю. В. Литовка, И. А. Дьяков, А. Г. Ткачев // Нанотехника. -2014.-№3(39).-С. 14-19.

Прочие публикации:

8. Увеличение теплоотдачи при нанесении наномодифицированных гальванических покрытий на поверхности теплообмена / Ю. В. Литовка, А. Г. Ткачев, И. А. Дьяков, Е. Н. Туголуков, Р. А. Столяров, А. А. Гравин, Р. Ю. Мухин // Мир гальваники. - 2012. -№ 2(15). - С. 54 - 56.

9. Влияние нанотрубок «Таунит» на свойства гальванических и электрохимических анодно-оксидных покрытий / Ю. В. Литовка, И. А. Дьяков,

Д. Н. Симагин, А. А. Гравин, В. Ю. Кулаков // Мир гальваники. - 2014. -№ 2(27). - С. 68 - 74.

10. Гравин, А. А. Метод нанесения наномодифицированных оксидированных покрытий на алюминиевые теплоотдающие поверхности для интенсификации теплообмена / А. А. Гравин // Совершенствование технологии гальванических покрытий : тез. докл. XV Междунар. совещания. - Киров, 2012. -С. 24-25.

11. Математическая модель теплоотдачи от поверхностей с наномоди-фицированными гальваническими покрытиями / Ю. В. Литовка, И. А. Дьяков, Е. Н. Туголуков, А. А. Гравин // Математические методы в технике и технологиях : тез. докл. 25 Междунар. конф. - Волгоград, 2012. - Т. 7. - С. 61-62.

12. Математическое моделирование теплоотдачи наномодифицированных электрохимических покрытий / Ю. В. Литовка, А. Г. Ткачев, И. А. Дьяков, E.H. Туголуков, А. А. Гравин, Р. ТО. Мухин // Dny vedy - 2012 : тез. докл. VIII Mezinarodni vedecko - prakticka konference, Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o. -2012. - C. 44-47.

13. Интенсификация теплоотдачи при нанесении наномодифицированных гальванических покрытий на теплоотдающие поверхности / Ю. В. Литовка, А. Г. Ткачев, О. А. Кузнецова, И. А. Дьяков, Е. Н. Туголуков, А. А. Гравин, Р. ТО. Мухин // Покрытия и обработка поверхности : тез. докл. 9 Междунар. конф. - М., 2012. - С. 73-74.

14. Литовка, Ю. В. Процесс нанесения наномодифицированных гальванических оксидированных покрытий на поверхности алюминия для интенсификации теплоотдачи / Ю. В. Литовка, И. А. Дьяков, А. А. Гравин // Покрытия и обработка поверхности : тез. докл. 10 Междунар. конф. - М., 2013. - С. 28-29.

15. Гравин, А. А. Изменение шероховатости алюминиевых поверхностей с помощью нанесения наномодифицированных гальванических покрытий / А. А. Гравин // Тенденции и инновации современной науки : сб. тезисов по материалам VI Международ, науч-практ. конф. — Краснодар, 2013. — С. 60.

16. Гравии, A.A. Исследование теплоотдающих свойств наномодифицированных гальванических оксидированных покрытий алюминиевых поверхностей / А. А. Гравин // Общество, современная наука и образование: проблемы и перспективы : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012. — Т. 9. -С. 42-43.

17. Литовка, Ю. В. Математическое моделирование теплоотдачи наномодифицированных оксидированных покрытий / Ю. В. Литовка, А. А. Гравин // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26 : сб. тр. XXVI Междунар. науч. конф. — Нижний Новгород : Нижнегородский гос. техн. ун-т. — 2013.-Т. 8.-С. 74-75.

18. Гравии, А. А. Разработка технологии нанесения наномодифицированных гальваническчгх оксидированных покрытий на алюминиевые элементы энергетического оборудования для повышения их энергоэффективности / А. А. Гравин // Современные предпосылки развития инновационной экономи-

ки : сб. ст. I Междунар. науч-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013. - С. 22 - 24.

19. Гравии, А. А. Технология нанесения наномодифицированных гальванических оксидированных покрытий на алюминиевые теплоотдающие элементы энергетического оборудования для повышения их энергоэффективности / А. А. Гравин // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013. - Т. 4. - С. 64 - 66.

20. Методы нанесения наномодифицированных гальванических покрытий на теплоотдающие поверхности для интенсификации теплообмена / А. А. Гравин, Р. Ю. Мухин, Ю. В. Литовка, И. А. Дьяков // Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении : тез. докл. IX Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза, 2012. — С. 22 — 25.

21. Гравин, А. А. Исследование процесса нанесения модифицированных электрохимических оксидных покрытий для повышения теплоотдачи / А. А. Гравин // Фундаментальные проблемы технических наук : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. —Уфа : РИЦ БашГУ, 2014. - С. 43 - 45.

22. Гравин, А. А. Исследование теплоотдающих свойств наномодифицированных гальванических оксидированных покрытий алюминиевых поверхностей / А. А. Гравин // Глобализация науки: проблемы и перспективы : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Уфа : РИЦ БашГУ, 2014. - С. 59-60.

23. Гравин, А. А. Изменение свойств электролита анодирования алюминия при добавлении углеродного нанодисперсного материала / А. А. Гравин // Strategiczne ру1аша ¿\у1аи)\уе] паик1-2014 : тез. докл. X гш^с1гупагоск>\уе] паиколуь рга1йуся1е] копГегепср. - Рггету^ : №ика 1 эШсПа, 2014. - Р. 69 — 71.

24. Гравин, А. А. Применение углеродных наноматериалов для увеличения коэффициента теплоотдачи модфицированных электрохимических оксидных покрытий алюминия / А. А. Гравин // Физико-химия и технология неорганических материалов (с междунар. участием) : сб. материалов XI Рос. ежегод. конф. мол. науч. сотруд. и аспир. - М.: ИМЕТ РАН, 2014. - С. 503-504.

25. Гравин, А. А. Математическое моделирование шероховатости модифицированных наноматериалом оксидных покрытий алюминия / А. А. Гравин, Ю. В. Литовка // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-27 : сб. тр. XXVII Междунар. науч. конф. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ, 2014.-Т. 8.-С.41 -43.

Патенты:

26. Пат. 2511806 Российская Федерация, МПК Б 28 Б 13/02 , Б 28 Б 21/02, В 81 В 1/00. Способ повышения теплоотдачи с помощью микротурбупизи-рующих частиц / Литовка Ю. В., Гравин А. А., Дьяков И. А., Ткачев А. Г. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ТГТУ». - № 2012143963/06 ; заявл. 15.10.2012 ; опубл. 10.04.2014, Бюл. № 10. - 7 с.

Подписано в печать 21.04.2015. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 207

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14 Тел./факс (4752) 63-81-08, 63-81-33. E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.ru