Проект установки для дослідження теплопровідності нанофлюідів

Зміст

Вступ..............................................3

Умовні позначення.....................................6

1. Аналіз літературних даних по теплопровідності нанофлюідів......9

1.1. Огляд і аналіз досліджень теплопровідності нанофлюідов з частинками Al₂O₃ 11

1.2. Вплив концентрації наночастинок, їх розміру і форми..........12

1.3. Вплив температури..................................14

1.4. Вплив методів проведення експерименту...................15

1.5. Вплив конвективної складової..........................18

2. Опис експериментальної установки........................19

2.1. Конструкція вимірювальної комірки......................19

2.2. Опис систем термостатування і вимірювання температури......22

3.Методика проведення досліджень.........................25

4. Технологічні розрахунки елементів установки................32

4.1. Розрахунок вакуумної системи..........................32

4.2. Розрахунок витрати азоту..............................41

5. Охорона праці.......................................42

6. Організаційно – економічна частина.......................56

7. Висновки..........................................61

8. Список використаних джерел............................62

 

 

 

 

Вступ

В останні роки в Україні все більша увага приділяється питанням, пов'язаним з економією енергоресурсів. Питання енергоспоживання є для України надзвичайно складним клубком складних проблем. Тому питання енергозбереження слід вважати найважливішими економічними та екологічними проблемами на даному етапі розвитку.
Існує кілька принципових шляхів енергозбереження:
- Зменшення енергоємності продукції, що випускається на діючих підприємствах за рахунок модернізації технологій;
- Підвищення ефективності та зниження втрат при виробництві і транспортуванні електричної і теплової енергії;
- Впровадження альтернативних екологічно чистих джерел енергії;
- Поступове переведення економіки на так звані «інтелектуальні» технології (комп'ютерні, телекомунікаційні та ін.) Як значно менш енергоємні, більш рентабельні і екологічно чисті;
- Утилізація «енергосомістких» відходів;
- Інтенсифікація теплообмінних процесів в технологічних апаратах і підвищення їх енергетичної ефективності.
Різне енергетичне обладнання, таке як: сверхкритические котли, теплообмінні апарати і ядерні реактори, холодильне обладнання, теплові насоси та теплові труби, потребують інтенсифікації протікають в них теплообмінних процесів.
Аналіз показує, що задовольнити потреби підвищення енергетичної ефективності при тепловому регулювання перерахованих вище пристроїв можна трьома способами.
По-перше, простим збільшенням площі теплопередающей поверхні. Однак такий підхід призведе до збільшення матеріаломісткості, вартості обладнанні, а, отже, і зменшення конкурентоспроможності виробленого обладнання.

По-друге, модифікацією теплообмінних поверхонь апаратів (мікро структуровані поверхні, мікроканали, мікроканальних теплообмінники, мікроструі, нанесення на поверхні теплообмінних апаратів гідрофобних покриттів і т.д.). Однак в роботах [1, 2 EEJET] відзначається, що звичайне збільшення площі поверхні теплообміну і мікроканальних технології не завжди є альтернативним рішенням, наприклад, для теплового регулювання нового покоління напівпровідників і оптоелектронних пристроїв. Варто також враховувати збільшення вартості теплообмінного обладнання використовує зазначені технології, а також можливість засмічення профілю микроканалов і структурованих поверхонь, збільшення гідродинамічного опору теплообмінників.
Третій напрям інтенсифікації теплообміну в апаратах пов'язано з модифікацією вже застосовуваних теплоносіїв або робочих тіл для різного роду обладнання. В рамках цього напрямку пропонується використовувати нанофлюіди (колоїдні системи з твердою дисперсною фазою нано розмірів (до 100 нм) і рідкої дисперсної середовищем). Цей напрямок є досить перспективним. Аналіз літературних даних опублікованих в останні роки показує, що нанофлюіди (традиційні робочі речовини і теплоносії з добавкою частинок від одиниць до декількох десятків нанометрів) можуть істотно змінювати свої властивості і таким чином значно впливати на показники ефективності. Результати досліджень властивостей нанофлюідов, опубліковані в останні роки, показують можливість істотного цілеспрямованої зміни їх теплофізичних і теплообмінних характеристик в порівнянні з традиційними робочими речовинами холодильних систем і систем кондиціонування повітря. У ряді робіт отримано значне збільшення теплопровідності не тільки для нанофлюідов з наночастинками, що володіють високою теплопровідністю (вуглецеві нанотрубки, наночастинки високо теплопровідні металів, як наприклад, золото або мідь), а й для нанофлюідов з наночастинками оксидів металів. Для пояснення причин збільшення теплопровідності в нанорідин до теперішнього часу аналізується кілька основних механізмів: броунівський рух наночастинок, освіта високо теплопровідні рідкого шару (з товщиною кілька молекулярних шарів) на кордоні розділу рідина-наночастинок, балістичний перенос теплової енергії всередині індивідуальної наночастинки і між наночастинками, який відбувається при їх контакті, а також вплив кластеризації наночастинок. У ряді досліджень відзначено значне зростання коефіцієнтів тепловіддачі при різних режимах течії в каналах різної форми і при фазових переходах.
В даний час вивчаються перспективи застосування нанофлюідов для охолодження ядерних реакторів, в автомобільній промисловості для охолодження автоматичної коробки передач і поліпшення роботи системи охолодження двигуна і ін. Вивчаються також можливості поліпшення енергетичних характеристик холодильних систем за рахунок застосування нанофлюідов. Так в ряді робіт показано, що наночастинки оксидів металів можуть бути використані в якості добавки для підвищення розчинності мінерального масла з HFC-хладонами, при цьому поліпшуються повернення масла в компресор і енергетичні характеристики холодильної системи.
Як показують виконані різними авторами дослідження, навіть незначні домішки наночастинок різних металів, їх оксидів, вуглецеві нанотрубки, фулерени і т.п. сприяють значному збільшенню коефіцієнта тепловіддачі при різних процесах теплообміну.

У зв'язку з викладеним, метою дипломної роботи є проект установки для дослідження теплопровідності нанофлюідов.
Для досягнення зазначеної мети були поставлені наступні завдання:
- Розробка і проект експериментальної установки для дослідження теплопровідності методом лінійного джерела (нестаціонарний метод нагрітої нитки), що дозволяє вимірювати теплопровідність нанофлюідов;
- Розробити методику проведення досліджень теплопровідності нанофлюідов при різних температурах і концентраціях наночастинок.
Робота виконана відповідно до Закону України «Про енергозбереження» від 1.07.1994 р .; Постановами Кабінету Міністрів України № 148 від 5.02.1997 р «Про комплексну державну програму енергозбереження України», № 583 від 14.04.1999 р «Про Міжвідомчу комісію Із забезпечення виконан Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату», планом науково-дослідних робот МОН Україна «Дослідження, розробка та впровадження нанофлюїдів у холодильну промисловість для Підвищення енергетічної ефектівності устаткування» (тема 12/04).

 

Умовні позначення

Q – тепловий потік;

 - коефіцієнт теплопровідності;

F - площа, поверхня плоского шару досліджуваного речовини;

 - час;

Т - зміна температури;

 - товщина шару досліджуваного речовини;

l - довжина циліндричного шару;

d₁ и d₂ - відповідно, внутрішній і зовнішній діаметри циліндричного або сферічеcкого шару;

- тиск;

с_v - ізохорно теплоємність одиниці маси;

ρ - щільність;

- вектор щільності теплового потоку;

dQ₁- кількість теплоти, введене в елементарний об'єм шляхом теплопровідності за час dτ;

dQ₂ - кількість теплоти, яке за час dτ виділилося в елементарному обсязі dv за рахунок внутрішніх джерел;

dQ - зміна внутрішньої енергії або ентальпії речовини, що міститься в елементарному обсязі dv, за час dτ;

С_р - ізобарна теплоємність одиниці об'єму;

с_р - ізобарна теплоємність одиниці маси;

- Коефіцієнт температуропровідності;

- Оператор Лапласа;

r - радіус-вектор, відстань в радіальному напрямку;

- полярний кут;

z - апліката;

– полярна відстань

- коефіцієнт форми для шару досліджуваного речовини;

R₀ - опір термометра при 0 ° С;

А и В - термометричні коефіцієнти;

Т- кінцева температура;

Т₀ - початкова температура;

_f- коефіцієнт термодифузії;

γ = 0,5772 - константа Ейлера;

_н - теплопровідність нанофлюіда;

_б - теплопровідність базової рідини;

α - функція величини зазору;

Ra - критерій Релея;

ε – коефіцієнт конвекції;

1.Анализ літературних даних по теплопровідності нанофлюідів

Результати досліджень властивостей нанофлюідов, опубліковані в останні роки, показують можливість істотного цілеспрямованої зміни їх теплофізичних і теплообмінних характеристик в порівнянні з традиційними робочими речовинами холодильних систем і систем кондиціонування повітря. У ряді робіт отримано значне збільшення теплопровідності () не тільки для нанофлюідов з наночастинками, що володіють високою теплопровідністю (вуглецеві нанотрубки, наночастинки високо теплопровідні металів, як наприклад, золото або мідь, але і для нанофлюідов з наночастинками оксидів металів. Для пояснення причин збільшення теплопровідності в нанорідин до теперішнього часу аналізується кілька основних механізмів: броунівський рух наночастинок, освіта високо теплопровідні рідкого шару (з товщиною молекулярного рівня) на кордоні розділу рідина-наночастинок, балістичний перенос теплової енергії всередині індивідуальної наночастинки і між наночастинками, який відбувається при їх контакті, а також вплив кластеризації наночастинок. у ряді досліджень відзначено значне зростання коефіцієнтів тепловіддачі при різних режимах течії в каналах різної форми і при фазових переходах.
 Можливість поліпшення енергетичних характеристик холодильних систем за рахунок цього ефекту в даний час вивчається. Наприклад, в ряді робіт показано, що наночастинки оксидів металів можуть бути використані в якості добавки для підвищення розчинності мінерального масла з HFC-хладонами, при цьому поліпшується повернення масла в компресор і енергетичні характеристики холодильної системи (СОР збільшується до 26%).
Нанофлюіди представляють собою досить складні системи, на властивості яких істотно впливають багато факторів. З огляду на, що більшість публікацій за властивостями нанофлюідов присвячено

 

дослідженню теплопровідності, а отримані в них дані не узгоджуються між собою (див. рис. 2.1), в даній роботі проаналізовано основні фактори, що впливають на результати вимірювань теплопровідності. Як об'єкт експериментального дослідження теплопровідності обрана модельна система ізопропіловий спирт - наночастинки Al2O3.

Мал. 2.1. Вплив концентрації на наведену теплопровідність нанофлюідов _н_б (де _н - теплопровідність нанофлюіда, _б - теплопровідність базової рідини)
1 дані [1], 2 - [2], 3 - [3], 4 - [4], 5 - [5], 6 - [6], 7 - [7]

З основних факторів, що впливають на теплопровідність нанофлюідов, найбільш важливими є наступні:
- Спосіб отримання нанофлюіда і методика його підготовки до досліджень;
- Розмір і форма вихідних наночастинок, їх концентрація; здатність наночастинок утворювати кластери, розміри кластерів;
- Температура і тиск;
- Поверхнево-активні речовини (сурфактанти);
- Тип і властивості базових рідин;
- Методика проведення експерименту.

 

При дослідженні теплопровідності крім перерахованих вище факторів важливо враховувати адаптацію методики проведення експерименту до специфіки нанофлюідов, вплив конвективного складової і ефекту «пічної труби», вплив дифузійних ефектів, вплив випромінювання і переизлучения для нанофлюідов на основі базових рідин, напівпрозорих в ІК-області спектра і т . Д.

1.1. Огляд і аналіз досліджень теплопровідності нанофлюідов з частинками Al₂O₃

В опублікованих роботах досліджувався ефект впливу розміру і концентрації наночастинок з різними базовими рідинами на наведену теплопровідність при об'ємних концентраціях наночастинок, в основному, до 4-5% (див. Табл. 2.1).

Таблиця 2.1 - Огляд основних опублікованих досліджень теплопровідності нанофлюідов з частинками Al₂O₃

Перший автор	Макс. концентр. частинок, %	Розмір наночастин, нм	Макс. еффект нб, %	Метод вимірювань	Літер. джерело
Базова рідина- вода
Das	4	38	9	МТК	[8]
Putra	4	131	24	МПС	[9]
Masuda	4,4	13	33	НМНН	[2]
Lee	4,3	38	11	НМНН	[6]
Wang	5,5	28	16	МПС	[4]
Chon	1-4	11-150	30	НМНН	[10]
Li	10	36-47	29	МПС	[11]
Zhang	5	11	8	НМНКН	[12]
Timofeeva	5	11-40	13	НМНН	[13]
Xie	5	60	21	НМНН	[3]
Hwang	1	48	4	НМНН	[14]
Murshed	1	80	12	НМНН	[15]
Oh	4	45	13	3-	[16]
Базова рідина - этиленгліколь
Lee	5	38	19	НМНН	[6]
Wang	8	28	41	МПС	[4]
Eastman	5	35	-	НМНН	[5]
Xie	5	26-300	30	НМНН	[3]
Beck	3	20	14	НМНН	[17]
Murshed	0,5	150	10	НМНН	[15]
Oh	4	45	10	3-	[16]
Базова рідина – компресорне масло
Wang	7,4	28	30	МПС	[4]
Базова рідина – компресорне масло
Wang	7,1	28	20	МПС	[4]
Xie	5	60	29	НМНН	[3]
Базова рідина - гліцерин
Xie	5	60	38	НМНН	[3]
Базова рідина - трансформаторне масло
Choi	4	13	20	НМНН	[18]

 

*) МТК - метод температурних коливань, МПШ - метод плоского шару, НМНН - нестаціонарний метод нагрітої нитки, НМНКН - нестаціонарний метод короткої нагрітої нитки, 3- - 3 омега метод.