RU157243U1 - Малоинерционный теплообменный элемент на основе углеродных нанотрубок - Google Patents

Abstract

1. Малоинерционный теплообменный элемент на основе углеродных нанотрубок, содержащий по меньшей мере один канал теплоносителя, организованный газонепроницаемой стенкой и плотно заполненный углеродными нанотрубками.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газонепроницаемая стенка выполнена прозрачной для электромагнитного излучения инфракрасного и видимого диапазона.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что существует более одного канала теплоносителя, заполненного углеродными нанотрубками и разделенного друг от друга тонкостенными теплопроводящими перегородками.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что используются углеродные нанотрубки, заданным образом (анизотропно) ориентированные в пространстве.

Description

Полезная модель относится к энергетике и машиностроению. Она касается высокоэффективных теплообменных элементов, обеспечивающих высокую интенсивность тепловых процессов и способных работать в критических условиях (в широком диапазоне температур и большом перепаде давлений рабочих сред). Такие решения востребованы в высокотехнологичных областях, в том числе двигателестроении, аэрокосмической технике и альтернативной энергетике.

Известен солнечный коллектор, где в качестве теплоприемного устройства применен герметичный короб для пропускания газообразного теплоносителя, причем внутренняя поверхность короба имеет покрытие с высоким коэффициентом поглощения в инфракрасной области спектра, а внутри короба предусмотрены средства для увеличения поверхности теплообмена и интенсификации теплообмена за счет турбулизации воздушного потока в виде установленных на внутренней стороне задней стенки короба решетки типа жалюзи с покрытием, имеющим высокий коэффициент поглощения в инфракрасной области - [1].

Недостаток известного решения состоит в том, что с помощью решеток нельзя достичь большую удельную поверхность теплообмена относительно объема теплоносителя, участвующего в процессе. Существенное влияние в подобном устройстве будет оказывать теплопроводность самого теплоносителя, которая для газов (в данном случае для воздуха) невысока.

Это приводит к достаточно низкой интенсивности теплообменных процессов и возникновению существенной разницы температур между поглощающим покрытием и рабочей средой, результатом которой является невысокий коэффициент использования энергии солнца.

Другим недостатком известного решения является ограниченность температурного диапазона. Концентрированная лучистая энергия позволяет достигать высоких температур (свыше 1000°C), что важно для высоких КПД тепловых двигателей и преобразователей, но известные светопоглощающие покрытия не способны выдержать такие температуры.

Известна система охлаждения потока воздуха, проходящего через электронную схему, включающую в себя теплообменный модуль, расположенный внутри корпуса электронного устройства. Модуль теплообменника включает в себя элемент с каналами для охлаждающей жидкости и множество углеродных нанотрубок (УНТ), прикрепленных к элементу. Охлаждающая жидкость распространяется через отверстия в элементе таким образом, чтобы рассеивать тепло, выделяемое электронной системой - [2].

Такое решение хорошо в ограниченной области применения. Недостатки подобного решения состоят в следующем:

- невозможность создания рекуперативного теплообмена, так как охлаждающая жидкость поддерживает постоянную температуру элемента, как следствие - низкая эффективность, исключающая применимость в энергетике;

- малая толщина слоя нанотрубок, прочно скрепленных с подложкой, определяемая длиной самих нанотрубок и не превышающая несколько десятков микрон;

- неспособность устройства работать в критических условиях (при больших перепадах давления и высоких температурах).

Подобные недостатки можно найти и в других известных решениях [3-5].

Прототипом полезной модели является рекуперативный теплообменник (патент RU 2080537), включающий в себя условно горячий и условно холодный тракты, подключенные по схеме противотока, и размещенные в них пористые вставки, а также входные и выходные коллекторы, отличающийся тем, что один его тракт выполнен в виде набора автономных однотипных герметичных плоских ампул, разделенных между собой одинаковыми зазорами, образующими второй его тракт. Пористые вставки полностью заполняют высоту каналов трактов с теплоидеальным контактом с их поверхностью.

В предлагаемом теплообменнике принцип его действия основан на интенсификации процессов теплообмена и теплопередачи путем введения в каналы трактов пористопроницаемого наполнителя из материалов с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминия.

Для этих целей предлагаются, например, пористые вставки, изготовленные из так называемой металлорезины, которая представляет собой путанку из проволочных спиралей. - [6].

Недостатком прототипа является довольно низкая удельная площадь поверхности теплообмена предлагаемых материалов с порами микронного диапазона, что сказывается на низкой интенсивности теплообменных процессов. Другим недостатком прототипа является - узкий температурный диапазон, обусловленный температурной стойкостью предлагаемых теплопроводных материалов - металлорезины, меди, алюминия.

Задачами предлагаемой полезной модели являются:

- увеличение интенсивности теплообменных процессов;

- увеличение температурного диапазона в область высоких температур до 2000°C, что является благоприятным условием для повышения КПД тепловых машин, использующих в своей конструкции предлагаемые теплообменные элементы.

Эти задачи решаются в малоинерционном теплообменном элементе на основе углеродных нанотрубок, который содержит по меньшей мере один канал теплоносителя, организованный газонепроницаемой стенкой и плотно заполненный углеродными нанотрубками.

Углеродные нанотрубки (Фиг. 1) обладают высоким коэффициентом поглощения электромагнитных волн, как в видимом диапазоне спектра, так и далеко за его пределами. Коэффициент поглощения однослойными углеродными нанотрубками достигает величины 0.98-0.99 в диапазоне от ИК (длинна волны 200 мкм) до УФ (длинна волны 200 нм) - [7].

Многослойные углеродные нанотрубки обладают свойствами [8]:

- Тг=517±2°C - аппроксимированная температура начала сгорания углеродных нанотрубок на воздухе;

- Tmax=2000°C - температура, которую выдерживают УНТ в отсутствие окислительной среды;

- Сквозная пористость 95%-80% и ниже;

- S=97,55±0,02 м2/г - удельная площадь поверхности, определенная методом BET;

- теплопроводность не менее 30 Вт/м*К.

Теоретические модели и экспериментальные измерения коэффициента теплопроводности углеродных нанотрубок в зависимости от параметров УНТ (длинны, диаметров, хиральности и пр.) приводят к результатам в диапазоне от нескольких десятков до 10000 Вт/(м·К) [9-16].

Теплопроводность УНТ обладает температурной зависимостью в широком диапазоне температур, характер которой изображен на Фиг. 2 - [16]. Разумеется, насыпная теплопроводность УНТ значительно ниже теплопроводности самих нанотрубок. Тем не менее, она достаточно велика, учитывая большую удельную площадь поверхности.

Кроме того, углеродные нанотрубки благодаря своему строению обладают анизотропными свойствами. Это касается и теплопроводности. Теплопроводность по направлению вдоль трубки значительно превышает поперечную теплопроводность.

Малоинерционный теплообменный элемент на основе углеродных нанотрубок, изображенный на Фиг. 3 для случая с круглым сечением канала, содержит по меньшей мере один канал теплоносителя 1, организованный газонепроницаемой стенкой 2 и плотно заполненный УНТ 3.

Элемент работает следующим образом. Тепло, с учетом знака подводимое к газонепроницаемой стенке 2, передается пористому наполнителю из углеродных нанотрубок 3 за счет его высокой теплопроводности. Теплоноситель, протекающий по каналу 1, контактирует с высокоразвитой поверхностью пористого наполнителя из УНТ 3, обмениваясь с ним теплом. В результате чего, теплоноситель интенсивно получает внешнее подведенное тепло с учетом знака (направления теплового потока).

Вышеназванные параметры УНТ (коэффициент поглощения, пористость, удельная площадь теплообмена и т.д.) обуславливают технический результат увеличения интенсивности теплообменного процесса, вследствие снижения разницы температур между рабочим телом и пористым наполнителем.

В одном из частных случаев газонепроницаемая стенка 2 выполнена прозрачной для электромагнитного излучения инфракрасного и видимого диапазона. В этом случае теплообменный элемент можно использовать как солнечный коллектор для преобразования подведенной лучистой энергии в тепловую энергию теплоносителя.

Малоинерционный теплообменный элемент по Фиг. 3 на основе углеродных нанотрубок в качестве преобразователя солнечной энергии работает следующим образом. Солнечные лучи, проходя через прозрачную газонепроницаемую стенку 2 канала 1, эффективно поглощаются углеродными нанотрубками 3 (коэффициент поглощения свыше 98%) и преобразуются в тепловую энергию.

В этом случае нанотрубки являются единственным посредником между солнечной энергией и теплоносителем, вследствие высокой теплопроводности пористого наполнителя из УНТ тепло быстро распространяется по всему объему теплообменного канала. Рабочая среда (газ или жидкость) протекает внутри канала 1 сквозь УНТ заданной сквозной пористости (пористость 95%-80% и ниже), которая определяет заданные аэро/гидродинамические характеристики канала, и эта рабочая среда участвует в теплообменном процессе с большой удельной площадью теплообмена до 97 м на грамм пористого углеродного материала.

Вышеназванные параметры (коэффициент поглощения, пористость, удельная площадь теплообмена и т.д.) обуславливают технический результат увеличения интенсивности теплообменного процесса, вследствие снижения разницы температур между рабочим телом и пористым наполнителем.

При использовании в качестве рабочего тела неокислительной среды и фокусировке солнечного излучения на светопоглощающем элементе появляется возможность существенно повысить температуру рабочего тела в область высоких температур (вплоть до 2000°C), что является благоприятным условием для повышения КПД тепловых машин с внешним подводом тепла (двигателей Стерлинга).

В другом из частных случаев имеются два и более каналов теплоносителя. Каналы плотно заполнены углеродными нанотрубками и разделены друг от друга тонкостенной теплопроводящей перегородкой. Такая конструкция элемента позволяет использовать его для рекуперации тепла, так как в теплообменном процессе участвуют не менее двух сред теплоносителей. Двухканальный рекуперативный теплообменный элемент изображен на Фиг. 4, где каналы 1, организованные стенками 2, плотно заполнены углеродными нанотрубками 3.

Малоинерционный рекуперативный теплообменный элемент на основе УНТ, изображенный на Фиг. 4, работает следующим образом. Два теплоносителя, проходящие во встречных направлениях по своим теплообменным каналам 1, разделенным тонкостенной теплопроводящей перегородкой 2 обменивается теплом с высокопористым наполнителем большой удельной площади поверхности из углеродных нанотрубок 3, плотно заполняющим объем своего канала и имеющим хороший тепловой контакт с теплопроводящей перегородкой 2. Тепло от наполнителя из УНТ передается через тонкую разделительную перегородку наполнителю другого канала, что обуславливает передачу тепла от одной среды другой.

Технический результат увеличения интенсивности теплообменного процесса обусловлен высокой теплопроводностью УНТ в связке с большой удельной площадью теплообмена и заданными аэро/гидродинамическими качествами. Помимо всего прочего, наполнители из УНТ являются надежной опорой для перегородки, что позволяет повысить ее теплопроводность за счет сокращения толщины разделительной стенки даже при наличии высокого перепада давления между средами теплоносителей. Низкая удельная теплоемкость и высокая теплопроводность системы наполнитель-перегородка-наполнитель обуславливают высокую интенсивность и малую инерционность процесса передачи тепла от одного теплоносителя другому. Это особенно важно для переходных процессов - резкого изменения параметров теплоносителя, таких как направление движения, температура, фазовое состояние и т.д.

При использовании неокислительных сред в качестве рабочих тел появляется возможность существенно повысить рабочие температуры (вплоть до 2000°C), что востребовано, например, при конструировании эффективных тепловых машин с внешним подводом тепла (двигателей Стирлинга), использующих рекуперацию тепла между различными фазами цикла Стирлинга.

Еще один из частных случаев - случай, когда углеродные нанотрубки наполнителя ориентированы вдоль основных потоков тепла. На Фиг. 5 изображены потоки двух теплообменных сред в каналах 1, разделенные перегородкой 2, через которую проходят потоки тепла. Каналы 1 заполнены углеродными нанотрубками 3, ориентированными вдоль потоков тепла.

Малоинерционный рекуперативный теплообменный элемент на основе УНТ по Фиг. 5 работает следующим образом. Потоки теплообменных сред текут по своим каналам в противоположном друг другу направлению. При этом, более нагретая среда по мере прохождения через пористый наполнитель из УНТ отдает часть своего тепла через углеродные нанотрубки и разделительную стенку менее нагретому теплоносителю. При этом температура первого теплоносителя постепенно уменьшается, а температура второго вдоль направления своего потока, наоборот, увеличивается. Возникают градиенты температур вдоль каналов каждого теплоносителя, связанные с постепенной передачей тепла, и разница температур между двумя разными средами, которую в грубом приближении можно считать одинаковой для любого уровня (линейной координаты) каналов, на котором происходит теплообмен между различными средами каналов.

Технический результат достигается следующим образом. Углеродная нанотрубка, как было сказано выше, обладает анизотропной теплопроводностью. Теплопроводность вдоль нанотрубки значительно выше поперечной теплопроводности. УНТ, расположенные вдоль направления основного потока тепла (от одной среды теплоносителя к другой), увеличат теплопроводность в этом направлении, тогда как теплопроводность вдоль каждого канала теплоносителя будет не высока, что снизит паразитный эффект теплообмена внутри каждой среды теплоносителя, вызванный продольными градиентами температур (вдоль каналов). Таким образом, в теплообменном элементе, где нанотрубки не хаотично расположены, а ориентированы в направлении основных потоков тепла, существенно увеличивается интенсивность теплообменных процессов.

Появляется возможность изготовления короткоканальных теплообменников, в которых при небольшой длине каналов будет сочетаться с одной стороны высокая интенсивность теплообмена между средами, обуславливающая малую разность температур, необходимую для передачи заданного количества тепла между средами, и высокий температурный градиент между входом и выходом каждой теплоносящей среды (большое изменение температуры теплоносителя в теплообменнике) с другой стороны. Укорачивание длины каналов еще больше приводит к снижению тепловой инерционности элемента, что важно для быстрых переходных процессов, скажем, для сокращения времени цикла Стирлинга с целью увеличения производительности тепловых машин с внешним подводом тепла.

Эффективность работы теплообменного элемента будет сохраняться при различных давлениях рабочей среды, в том числе и при условиях вакуума. При низких температурах удельная теплопроводность УНТ достигает максимума в районе 100 К (см. фиг. 2), что сказывается на увеличении интенсивности теплообмена при таких температурах.

Теплообменный элемент на основе углеродных нанотрубок может быть использован в различных конструкциях теплообменников различного назначения. В качестве примеров на Фиг. 6(а) изображен многоканальный теплообменник сотовой конструкции, а на Фиг. 6(б) - трехканальный спиральный теплообменник.

Возросшее в последнее время внимание к развитию аэрокосмической техники и альтернативной энергетики обеспечивает интерес к интенсивным малоинерционным теплообменникам, способным эффективно работать в различных специфических условиях, что заставляет надеяться на широкое промышленное внедрение полезной модели.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Патент РФ №2224188, F24J 2/00, 2003 г.

[2] Патент US 20080188818 20080808, F28F 1/124; F28F 1/42; H01L 23/3677; H01L 23/373; H01L 23/427; H01L 23/467; H01L 23/473; F28D 2021/0031.

[31 Патент РФ №2511806, F28F13/02, F28F 21/02, B81B 1/00, 2012.

[4] Патент РФ №2039921, F28D 1/00, F28D 7/00, F28D 9/00, F28F 1/00, F28F 3/00, 1993.

[5] Патент РФ №: 2029212, F28D, F28F, 1995. [6] Патент РФ №2080537, F28D 9/00, 1997.

[7] К. Mizunoet al. A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 6044, 2009.

[8] ООО НПП «Центр нанотехнологий», углеродные наноматериалы «ДЕАЛТОМ», .

[9] Р.А. Браже, B.C. Нефедов, Теплопроводность планарных и нанотубулярных супракристаллических структур при температурах ниже температуры Дебая, Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 3.

[10] S. Berber, Y.K. Kwon, D. Tomanek. Phys. Rev. Lett. 84, 4613 (2000).

[11] J. Hone, M. Whitney, C. Piskoti, A. Zettl. Phys. Rev. В 59, 2514 (1999).

[12] J.R. Lukes, H. Zhong. J. Heat Transfer 129, 705 (2007).

[13] C.H. Yu, L. Shi, Z. Yao, D.Y. Li, A. Majumdar. Nano Lett. 5, 1842 (2005).

[14] E. Pop, D. Mann, Q. Wang, K. Goodson, H. Dai. Nano Lett. 6, 96 (2006)

[15] Мищенко СВ., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.

[16] М.А. Меретуков, М.А. Цепин, С.А. Воробьев, А.Г. Сырков. - М.: Руда и металлы Кластеры, структуры и материалы наноразмера. Инновационные и технологические перспективы, 2005. - 128 с.

[17] Carbon Nano-material Technology Co., LTD, .

Claims (4)

1. Малоинерционный теплообменный элемент на основе углеродных нанотрубок, содержащий по меньшей мере один канал теплоносителя, организованный газонепроницаемой стенкой и плотно заполненный углеродными нанотрубками.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газонепроницаемая стенка выполнена прозрачной для электромагнитного излучения инфракрасного и видимого диапазона.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что существует более одного канала теплоносителя, заполненного углеродными нанотрубками и разделенного друг от друга тонкостенными теплопроводящими перегородками.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что используются углеродные нанотрубки, заданным образом (анизотропно) ориентированные в пространстве.

Images