Теплоаккумулирующие материалы на основе наномодицированного парафина, управляемые магнитным полем

Повышение эффективности теплотехнического оборудования основано на применении новых технологических приемов и теплоаккумулирующих материалов (ТМ). Появление нового типа теплоаккумулирующих материалов может быть реализовано с помощью технологий наномодифицирования. В этом отношении особое значение приобретает применение углеродных нанотрубок.

ТМ используются для создания тепловых аккумуляторов (ТА). Наиболее эффективными считаются ТМ, способные накапливать тепловую энергию в фазовом переходе [1, 2]. Дальнейшее совершенствование (ТМ) может быть связано с введением для них новых функциональных возможностей, к которым следует отнести особые ферромагнитные свойства. Однако материалы, обладающие способностями к обратимым фазовым переходам, как правило, парамагнетики. Для приданиям им ферромагнитных свойств необходимо вводить в них ферромагнитные частицы. Это затруднительно, т.к. ферромагнитные частицы выступают инородными структурами и выпадают в осадок. По этой причине следует рассмотреть особые технологические приемы, которые позволят ввести в их структуру ферромагнитные частицы.

При исследовании композиций, содержащих углеродные волокна, авторы работы [3] утверждают, что уменьшение количества контактов между высокотеплопроводными частицами должно быть сведено к минимуму. Современные исследования демонстрируют повышение теплопроводности суспензий при увеличении длины чешуек графена [4]. Данный эффект объясняется баллистическим режимом теплопроводности низкочастотных акустических фононов [5]. Также в [5] представлены экспериментальные результаты, которые демонстрируют увеличение теплопроводности парафина практически на 2 порядка при использовании графенов. Концентрация графена в парафине составляла 20 % по массе, толщина и длина чешуек 1–8 нм и 500–10000 нм соответственно [5]. Следует отметить сильную зависимость теплопроводности от содержания графена в парафине. При использовании авторам работы [6] концентрации в 10 раз меньшей, чем в [5], теплопроводность нанокомпозита увеличилась лишь на 60 %.

В статье [10] представлено практическое применение модифицированого графеном парафина для Li-ion аккумулятора. Показано, что введение 20% графена может обеспечить увеличение теплопроводности до 50 W/mК при сохранении возможности накопления тепла на эффекте фазового перехода. Однако высокая стоимость графена приводит к необходимости искать материалы, которые позволяют повышать теплопроводность при меньших концентрациях и обладают низкой стоимостью. К таким материалам можно отнести графены, обладающие магнитными свойствами. В статье [11] показаны исследования теплопроводности материалов с эффектом самовыравнивания в структуре модифицированного материала. В статье представлен метод синтеза нанокомпозитного графена с наночастицами Fе3О4. Самовыравнивание “магнитного графена” улучшает теплопроводность композитов и эпоксидных смол. Улучшение теплопроводности с ориентированными заполнителями происходит при низких концентрациях порядка ~1%. В то же время авторы работы [11] рассматривают материалы, не обладающие эффектом фазового перехода. В этом отношении исследование вопросов введения управляемых наноструктур в материалы с фазовыми переходами является важной научной и практической задачей.

Анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод о том, что наномодифицирование парафинов углеродными наноструктурными материалами (нановолокна, нанотрубки, графены) позволяет существенно изменять теплофизические характеристики. Наномодифицированный теплоаккумулирующий материал будет обладать более высоким уровнем функциональных возможностей, приводящих к взаимодействию его с электромагнитным полем. Это обеспечит возможность управляемого координирования в пространстве различных жидких сред теплоаккумулирующих гранул, а также более интенсивный режим накопления тепловой энергии за счет конвективного перемешивания. За счет управляемости скорость заряда/разряда теплового аккумулятора может увеличится в 2 раза.

Цель работы – выявление механизмов теплообмена в тепловых аккумуляторах в присутствие магнитоуправляемых частиц.

Материалы и методы

Достижение поставленного результата основано на использовании подходов направленного синтеза углеродных наноструктур и выработке эффективных методов модификации за счет энергетических воздействий магнитными полями и ультразвуковым излучением. С целью модфицирования парафина используем направленный синтез катализаторов Co-Mo/Аl 2 О 3 -МgО (регулируемые диаметр, дефектность, уд. поверхность и др.).

Приготовленный Co-Mo/Аl 2 О 3 -МgО катализатор имеет чешуйчатую структуру.

Использование полученного катализатора в процессе ГФХО (источник углерода пропанбутановая смесь, t = 650 °C, 40 мин) позволяет получать однородный наноструктурный материал с удельной поверхностью 306,2 м2/г, представляющий собой протяженные нитевидные образования диаметром 15–20 нм и длиной более 2 мкм.

После этого УНМ (углеродные нанотрубки) механоактивируется с предварительно размолотым до 5 мкм цинковым ферритом ЕЕ65В в шаровой мельнице в течение 20 мин.

Модифицирование парафинов полученными УНМ, имеющими нужную морфологию, обеспечит взаимодействие на молекулярном уровне и позволит создать устойчивый материал с теми характеристиками, которые требуются для формирования ТМ. Модифицирование происходит в процессе фазового перехода парафина, когда он переходит в жидкое состояние при температуре, при которой достигается порог его термического разложения, что обеспечивает возможность реагирования УНМ с молекулами парафина. Для инициации этого процесса необходимо воздействие ультразвука, что обеспечивает явление кавитации в объеме расплавленного парафина. Для обеспечения нужной ориентации интегрированных в УНМ структур при остывании расплавленный парафин подвергается воздействию магнитного поля. После этого материал подвергается механическому воздействию в экструдере с фторопластовым шнеком. Мощность приводного двигателя экструдера 1 кВт, при частоте вращения 60 об/мин. Далее полученный материал гранулируется в пресс-грануляторе с доведением гранул до размера от 1 до 2 мм. В итоге отдельные гранулы представляют собой сферы с диаметром от 1 до 2 мм. После этой операции гранулы засыпаются в жидкость-носитель.

Жидкостью-носителем являлось минеральное моторное масло Optimum 15W – 40 (Роснефть, Россия). Моторное масло и магнитный наполнитель взвешивались на весах AdventurerPro фирмы OHAUS с точностью ±0,5 мг. После этого наполнитель вводился в моторное масло и тщательно перемешивался. Полученная плотная взвесь разбавлялась жидкостью-носителем и механически размешивалась до получения коллоидного раствора. Для бесконтактного измерения температурного поля в ТМ был использован тепловизор FLUKE Тi9 с приемником излучений 160 x 120 и матрицей в фокальной плоскости и диапазоном измерений от -20 °C до +250 °C с погрешностью ± 0,5 °C.

Морфологию и структуру синтезированных УНТ изучали посредством сканирующей электронной микроскопии (просвечивающий электронный микроскоп Hitachi H-800). Магнитная индукция для неодимовых магнитов составила 1250 мТл. Разработанная методика исследований позволила экспериментально исследовать температурные режимы в наномодифицированном материале под действием магнитного поля.

Результаты и обсуждение

Морфология синтезированного наноматериала представлена на рисунке 1 и 2

Структура данного материала представлена на микрофотографиях, полученных ПЭМ (рисунок 2).

На рисунке 3 представлено поведение наномодифицированного ТМ, распределенного в жидкости-носителе, при действии на неё магнитного поля, созданного постоянным магнитом (1250 мТл).

Рисунок 1. СЭМ изображения УНТ, синтезированных на Co-Mo/Аl 2 О 3 -МgО катализаторе

• Figure 1.    Images of UNT, synthesized on Co-Mo/Аl 2 О 3 -МgО Catalyst

Рисунок 2. Структура УНМ, синтезированного на Co-Mo/Аl 2 О 3 -МgО катализаторе

• Figure 2.    The structure of the UNM synthesized on Co-Mo/Аl 2 About 3 -МgО Catalyst

Рисунок 3. Ферромагнитная жидкость под действием магнитного поля

Figure 3. Ferromagnetic liquid under the influence of magnetic field

На рисунке 4 показано распределение температурного поля в емкости, содержащей наномодифицированный парафин с ферромагнитными частицами, распределенный в синтетическом масле, в результате действия магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом цилиндрической формы. Источник теплового потока расположен в нижней части емкости в виде плоского электронагревателя мощностью 200 Вт и площадью 0,0027 м2. При таких параметрах нагревателя тепловой поток составляет 74 кВт/м2. В случае обычной конвекции слои, имеющие более высокую температуру, перемещаются в верхнюю часть емкости, т.к. имеют меньшую плотность. Скорость такой конвекции невысокая, что снижает эффективность заряда теплового аккумулятора. Для интенсификации процесса используется постоянный магнит, который, создавая магнитное поле в определенной части емкости, заставляет перемещаться ТМ именно в эту часть емкости. При нагреве ТМ происходит изменение ферромагнитных свойств. Так, нагретый ТМ обладает более низкой магнитной восприимчивостью.

Рисунок 4. Анализ температурного режима ТМ

Figure 4. Analysis of temperature Mode of TM

Из рисунка 4 следует возможность управления внутренними теплообменными процессами в ТМ, что способствует более эффективному режиму заряда / разряда и последующему хранению тепловой энергии, т.к. ТМ с ферромагнитными частицами может располагаться в емкости без соприкосновения со стенками корпуса ТА.

Разработка ТА на основе наномодифицированного парафина

Основными режимами для ТА являются режимы заряда и разряда тепловой энергией. Для этих режимов необходимо реализовать контролируемый темп как накопления тепловой энергии, так и отдачи. Для режима заряда необходимо обеспечить наибольшую скорость получения тепловой энергии даже при условии падения разности температур, которая может быть связана с уменьшением температуры от приемного устройства (элемента технологического оборудования). При этом КПД ТА серьезным образом зависит от режима разряда, т.к. в случае неполного разряда остается тепловая энергия (для пассивных ТА – может доходить до 40%).

На рисунке 5 показано устройство управляемого ТА. В емкости (выполненной из полимерного материала) 1 располагаются теплообменные элементы 2 . В емкость заливается магнитоуправляемый ТМ. На стороне емкости, где имеются теплообменные элементы, имеется группа неодимовых магнитов. Внутренний теплообмен осуществляется на основе эффекта термомагнитной конвекции.

Рисунок 5. Устройство ТА на управляемого теплоаккумулирующего материала

Figure 5. Device on the controlled heat-accumulating material

Заключение

Теплоперенос в системе обеспечивается двумя одновременно происходящими процессами естественной и термомагнитной конвекции. В свою очередь, конвекция может быть реализована за счет изменения магнитной восприимчивости при изменении температуры и геометрическом изменении положения магнита или группы магнитов.

Обоснована принципиальная схема ТА с управляемым процессом приема и передачи тепловой энергии на основе ТМ с ферромагнитными свойствами.

Обоснован эффективный состав ТМ на основе минерального масла с ферромагнитными частицами, парафином и углеродными нанотрубками.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Тамбовской области в рамках научного проекта № 18-43-680012