СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЛИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ

Настоящее изобретение относится к способу обеспечения теплопередачи неметаллического или металлического изделия. В частности, оно хорошо подходит для отраслей промышленности, связанных с производством стали, алюминия, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлических композитов, никеля или обеспечивающих неметаллические материалы, такие как пластмасса.

В свете задачи экономии расхода энергии возможно улучшение эффективности теплообменников и введение различных методик интенсификации теплообмена. Большинство методик сосредоточилось на улучшении эффективности теплопередачи, то есть улучшении коэффициента теплопередачи. Обычно давление воздуха или жидкости, такие как вода, машинное масло, этиленгликоль и т.д., применяются в качестве теплопередающей среды, иногда с добавками для улучшения эффективности теплопередачи.

Помимо этого, недавние исследования в области нанотехнологии сделали возможной разработку новой категории жидкого теплоносителя, содержащего наночастицы. Такие жидкости, также именуемые “Nanofluids”, представляют собой жидкую суспензию, содержащую частицы, у которых по меньшей мере одно измерение ниже 100 нм. Эти жидкие теплоносители обычно имеют повышенный коэффициент теплопередачи.

Такие жидкости могут применяться для ускорения теплопередачи, например, охлаждения, между неметаллическим или металлическим материалом и жидким теплоносителем. Например, в сталелитейной промышленности в процессе охлаждения при способе горячей прокатки выходной рольганг охлаждает стальную полосу от приблизительно 800-950°C на входе до 450-600°C на выходе. Таким образом, для некоторых марок стали является необходимым жидкий теплоноситель, обладающий высоким коэффициентом теплопередачи.

Однако иногда оказывается необходимым замедлить теплопередачу между неметаллическим или металлическим изделием и жидким теплоносителем. Например, охлаждение является очень важным этапом при производстве прутков из сталей с содержанием углерода от среднего до высокого. На практике такое охлаждение должно быть действительно медленным и контролируемым для получения стержня, имеющего мелкозернистую перлитную микроструктуру и однородное качество. Если охлаждение происходит слишком быстро, возникает риск получения мартенситной структуры, которая является вредной в производстве стальных прутков, имеющих улучшенную прочность и способность к вытяжке.

Патентная заявка EP0126481 раскрывает способ прямой термической обработки прутка из средне- и высокоуглеродистой стали посредством выполнения контролируемого охлаждения распушенного спирального рулона горячекатаной средне- или высокоуглеродистой стали, имеющей аустенитную структуру. Такое охлаждение выполняется пропусканием рулона через емкость, содержащую теплоноситель, составленный из находящейся под сильным турбулентным воздействием жидкой водно-пузырьковой смеси, содержащей однородную дисперсию пузырьков окисляющего газа и удерживаемой при заданной температуре не выше 95°C.

Однако существует риск не обеспечить получение мелких газовых пузырьков, имеющих однородное распределение по крупности. Действительно, объем газового пузырька в емкости плохо поддается контролированию. Когда газ задувается в теплую воду, полученные пузырьки оказываются нагретыми и теплая вода испаряется внутрь пузырьков до тех пор, пока не достигается равновесное состояние, в результате происходит почти мгновенное распухание пузырьков. Помимо этого, для недопущения коалесценции газовых пузырьков друг с другом и образования единственной газовой фазы должна соблюдаться определенная величина приведенной скорости. Наконец, для приготовления жидкой водно-пузырьковой смеси, содержащей пузырьки окисляющего газа, необходим большой объем газа. Соответственно, использование такой содержащей газ жидкости в промышленном масштабе вызывает сложности в обращении и оказывается высокозатратным.

Цель данного изобретения состоит в том, чтобы предоставить простой в реализации способ термической обработки неметаллического или металлического изделия, содержащий по меньшей мере один этап теплопередачи между изделием и жидким теплоносителем, имеющим коэффициент теплопередачи ниже коэффициента теплопередачи воды. В частности, имеется потребность в предоставлении способа, при котором теплопередача могла бы быть медленной и контролируемой.

Это достигается посредством предложения способа теплопереноса между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем по п.п. 1 - 27 формулы изобретения.

Следующие термины определяются следующим образом:

- жидкий теплоноситель, содержащий наночастицы (так называемый нанофлюид), означает жидкую суспензию, содержащую частицы, имеющие по меньшей мере одно измерение ниже 100 нм;

- ламинарный поток означает поток с числом Рейнольдса ниже критической величины приблизительно в 2300;

- турбулентный поток означает поток с числом Рейнольдса, превышающим критическую величину около 4000;

- концентрация порога перколяции – концентрация наночастиц, выше которой они объединяются, образуя сетчатую структуру с дальним порядком. Для связанных с теплопередачей применений подходит, чтобы такая сетка соединяла наиболее горячую часть жидкости, то есть часть, откуда начинает перетекать тепло, и самую холодную часть жидкости, то есть часть, куда тепло отводится. Другими словами, ниже концентрации порога перколяции наночастицы не являются связанными. Когда достигается концентрация порога перколяции, образованная наночастицами сетка, которая имеет более высокую удельную теплопроводность, чем жидкая среда, позволяет теплоносителям выбирать путь с намного меньшим сопротивлением теплопередаче, увеличивая таким образом удельную теплопроводность жидкости и, вследствие этого, коэффициент теплопередачи;

- масс.% означает массовую концентрацию в процентах;

- графитовые нанопластинки означают многослойную систему из графеновых листов, имеющих толщину между около 5 и 20 нм;

- малослойный графен подразумевает многослойную систему из графеновых листов, имеющих толщину между 1 и 5 нм, и

- графен означает лист толщиной в один атом из гексагонально упорядоченных, связанных атомов углерода, представляя обычно толщину менее 1 нм.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из следующего подробного описания изобретения.

Для иллюстрирования изобретения будут описаны различные воплощения и испытания образцов из неограничивающих примеров, в частности, с обращением к следующим фигурам.

Фиг. 1 иллюстрирует пример одной нанопластинки согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 иллюстрирует пример многослойных нанопластинок согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 иллюстрирует пример сферической наночастицы согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 иллюстрирует пример эллиптической наночастицы согласно настоящему изобретению.

Данное изобретение относится к способу термической обработки неметаллического или металлического изделия, содержащему по меньшей мере один этап A) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем A’, содержащим жидкую среду и наночастицы, имеющие размер в поперечном направлении между 26 и 50 мкм, при этом данный жидкий теплоноситель имеет коэффициент теплопередачи ниже коэффициента теплопередачи воды.

Предпочтительно данный способ также содержит по меньшей мере один этап B) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем B’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом жидкий теплоноситель B’ имеет коэффициент теплопередачи, отличный от коэффициента теплопередачи A’ и ниже коэффициента теплопередачи воды.

Более предпочтительно данный способ также содержит по меньшей мере один этап C) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем C’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом жидкий теплоноситель C’ имеет коэффициент теплопередачи, превышающий коэффициент теплопередачи воды.

Предпочтительно данный способ также содержит по меньшей мере один этап D) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем D’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом жидкий теплоноситель D’ имеет коэффициент теплопередачи, отличный от коэффициента теплопередачи C’ и превышающий коэффициент теплопередачи воды.

Согласно настоящему изобретению, этапы A), B), C), D) могут выполняться в любом порядке, этапы B, C и D являются необязательными. В одном предпочтительном воплощении способ термической обработки согласно настоящему изобретению содержит этапы A) и B), выполняемые последовательно. В другом предпочтительном воплощении этап B) выполняется перед этапом A). Предпочтительно способ термической обработки согласно настоящему изобретению содержит этапы A), B) и C), выполняемые последовательно. Они также могут выполняться в следующем порядке: B), C) и A) или C), A) и B). Способ термической обработки согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит этапы A), B), C) и D), выполняемые последовательно. Они также могут выполняться в следующем порядке: B), C), A) и D) или A), C), D) и B).

В одном предпочтительном воплощении жидкий теплоноситель содержит наночастицы, выбираемые из графитовых нанопластинок, графена, малослойного графена, TiO₂, ZnO₂, ZnO, нитрида бора, меди, диоксида кремния, монтмориллонита, цеолита клиноптилолита, волластонита, слюды, цеолита 4A, Al₂O₃, силиката, пемзы, оксида кальция и углеродных нанотрубок. Предпочтительно наночастицы не содержат углеродных нанотрубок.

Наночастица может быть, например, сферической, эллиптической или в форме нанопластинки.

Фиг. 1 иллюстрирует пример одной нанопластинки, которая может использоваться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает самую большую протяженность нанопластинки по оси X, а толщина означает высоту нанопластинки по оси Z. Ширина нанопластинки отображается по оси Y.

Фиг. 2 представляет пример многослойных нанопластинок, которые могут применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает самую большую протяженность нанопластинок по оси X, а толщина означает общую высоту всех нанопластинок в пакете по оси Z. Ширина нанопластинки отображается по оси Y.

Фиг. 3 иллюстрирует пример сферической нанопластинки, которая может применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает диаметр наночастицы, а толщина соответствует высоте наночастицы.

Фиг. 4 иллюстрирует пример эллиптической нанопластинки, которая может применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает наибольшую длину наночастицы, а толщина означает высоту наночастицы.

Размер в поперечном направлении и толщина наночастицы могут быть измерены с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM).

Предпочтительно наночастицы являются многослойными нанопластинками. Действительно, безотносительно к какой-либо конкретной теории, чтобы получить морфологию нанопластинок, наночастицы, по-видимому, должны иметь многослойную структуру со слабым взаимодействием между слоями, то есть Ван-дер-Ваальсовыми силами, водородной связью, механической связью, галогенной связью, пи-стэкинговым взаимодействием, катион-анионной пи-связью, интеркаляцией, солевыми мостиками и полярной пи-связью. Эта слабое связывание совместно с хорошей теплопроводностью нанопластинок расширяет возможности для улучшения коэффициента теплопередачи жидкости.

Предпочтительно толщина наночастиц составляет между 1 и 99,99 нм, предпочтительно между 5 и 50 нм и более предпочтительно между 5 и 15 нм.

Предпочтительно поперечный размер наночастиц по меньшей мере одного жидкого теплоносителя, выбранного из B’, C’ и D’, составляет между 26 и 50 мкм.

Предпочтительно поперечный размер наночастиц по меньшей мере одного жидкого теплоносителя, выбранного из A’, B’, C’ и D’, составляет между 35 и 45 мкм.

Предпочтительно концентрация наночастиц составляет между 0,01 масс.% и 12 масс.%, предпочтительно между 2 и 8 масс.% и более предпочтительно между 4 и 7 масс.%.

В одном предпочтительном воплощении жидкий теплоноситель содержит диспергирующий агент, представляющий собой не обладающий поверхностно-активными свойствами полимер, поверхностно-активное вещество или их смесь. Поверхностно-активное вещество может быть катионным, анионным, амфотерным или неионогенным.

Например, диспергирующий агент может быть поливинилпирролидоном, полисахаридами, сульфатированными полисахаридами, линейными алкилбензолсульфонатами, лигносульфонатами, диалкилсульфосукцинатами, соединениями четвертичного аммония, стеаратом натрия или их смесью.

Предпочтительно массовое соотношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента составляет между 3 и 18. Более предпочтительно отношение концентрации наночастиц к концентрации диспергирующего агента составляет между 4 и 15, предпочтительно между 4 и 8 и более предпочтительно его величина находится между 4 и 6.

Безотносительно к какой-либо конкретной теории, по-видимому, при регулировании указанного выше соотношения и достижении концентрации порога перколяции жидкий теплоноситель согласно изобретению создает возможности для обеспечения более высокой удельной теплопроводности и, вследствие этого, высокого коэффициента теплопередачи в режиме ламинарного потока. Действительно, диспергирующий агент в этом случае способен не допускать агломерации и осаждения наночастиц. Например, если бы диспергирующий агент был представлен поверхностно-активным веществом, наночастица оказалась бы заключена в мицеллу, сердцевина которой состоит из гидрофобных молекул и оболочка – из гидрофильных молекул. Такая мицеллярная структура позволяет наночастицам диспергироваться в жидкости. Однако, чтобы обеспечить перколяцию, другими словами, образование создаваемой наночастицами сетки дальнодействующего порядка, степень дисперсности наночастиц должна быть ограничена.

Предпочтительно жидкий теплоноситель содержит жидкую среду, выбираемую из воды, этиленгликоля, этанола, масла, метанола, кремнийорганического материала, пропиленгликоля, алкилированных ароматических соединений, жидкого Ga, жидкого In, жидкого Sn, формиата калия или их смеси. Галлий, индий и олово могут применяться в качестве жидкого теплоносителя, в частности, для охлаждения металлического изделия. Действительно, температура плавления галлия составляет 30°C, индия 157°C, а олово имеет температуру плавления 232°C. Например, они могут использоваться для охлаждения компьютерных микросхем или лабораторного оборудования, такого как нейтронные источники.

Жидкий теплоноситель предпочтительно готовится с использованием следующих этапов:

A – обеспечения наночастиц согласно настоящему изобретению;

B – обеспечения жидкой среды;

C – регулирования концентрации наночастиц для достижения перколяции и

D – смешивания наночастиц с жидкой средой.

Согласно изобретению, поток жидкого теплоносителя может находиться в ламинарном или турбулентном режиме. В режиме ламинарного потока коэффициент теплопередачи пропорционален удельной теплопроводности. В отличие от этого, в режиме турбулентного потока коэффициент теплопередачи зависит от ряда теплофизических свойств, таких как вязкость.

Этап теплопереноса согласно данному изобретению подразумевает перенос тепла между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем. Предпочтительно металлическое изделие, являющееся, например, металлической подложкой, изготавливается из алюминия, стали, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлического композита, никеля, а неметаллическое изделие изготавливается из пластических масс.

На известном уровне техники теплопередача, использующая в качестве жидкой среды воду, может обычно реализовываться с применением единственного способа. Данный способ называется «способом с контактной водой», что означает, что вода, применяемая для охлаждения или нагревания объекта, находится с ним в непосредственном контакте.

Согласно одному предпочтительному воплощению изобретения, являющееся металлическим изделие представляет собой металлическую подложку, а жидкий теплоноситель находится в непосредственном с ней контакте. В этом случае теплопередача может быть осуществлена охлаждением под действием ударной силы струи, кипением в свободном объеме, распылительным охлаждением или микроканальным охлаждением.

Например, в сталелитейной промышленности теплопередача контактным водяным охлаждением может быть осуществлена:

- в орошаемых водой камерах установок для непрерывного литья и процессов горячей прокатки, таких как процессы охлаждения на выходном рольганге;

- в коксовых печах для газовой обработки и тушения кокса;

- в ходе гашения шлака в доменных печах, кислородных конвертерах и дуговых электропечах.

Предпочтительно способ термической обработки согласно изобретению содержит, кроме того, по меньшей мере один этап нагревания. Например, такой этап нагревания выполняется при температуре между 0 и 1200°C.

Способ согласно настоящему изобретению может быть реализован, например, в строительной индустрии, в частности, при способе производства стальных балок. Например, строительные балки изготавливаются согласно EP1961887 прорезанием газопламенной резкой определенной синусоидальной линии в исходном двутавровом профиле, представляющем собой толстолистовую стальную пластину с сечением в виде литеры «Н». Затем два полученных тавровых профиля сдвигаются и свариваются дуговой сваркой. Обычно, как известно, после дуговой сварки происходит охлаждение. Этот этап охлаждения важен, так как определяет конечную микроструктуру сваренного участка и, в результате, конечные механические свойства.

Обычно в качестве жидкого теплоносителя для охлаждения сваренной балки применяется вода. Однако охлаждение водой оказывается слишком быстрым, поэтому существует риск того, что место сварки будет иметь хрупкую микроструктуру. Также возможно охлаждение балки воздухом. Однако такое охлаждение занимает слишком много времени. Таким образом, в данном случае необходимо иметь жидкий теплоноситель, обладающий коэффициентом теплопередачи ниже этого показателя у воды, но выше, чем у воздуха, с тем, чтобы получить надлежащую скорость охлаждения и в результате обеспечить желаемую микроструктуру места сварки.

Способ согласно настоящему изобретению делает возможном наличие такого жидкого теплоносителя. Действительно, термическая обработка при охлаждении сваренной балки может быть выполнена с применением жидкого теплоносителя A’), содержащего воду в качестве жидкой среды и графитовые нанопластинки, имеющие поперечный размер 40 мкм и толщину 10 нм. Концентрация таких наночастиц составляет 7 масс.%. Жидкость A’, кроме того, содержит 1 масс.% поливинилпирролидона в качестве диспергирующего агента. Соотношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента равно 7. Снижение теплопередачи по отношению к данному показателю воды составляет при 25°C в режиме турбулентного потока -53%. Таким образом, данная жидкость A’) позволяет выполнять более медленное охлаждение, чем вода, и более быстрое, чем воздух.

Когда необходимо выполнение двух медленных этапов охлаждения с двумя жидкими теплоносителями, имеющими различные коэффициенты теплопередачи, оба из которых ниже коэффициента теплопередачи воды, возможно применение указанной выше жидкости A’) и другого жидкого теплоносителя B’). Жидкий теплоноситель B’) содержит, например, воду в качестве жидкой среды и графитовые нанопластинки, имеющие поперечный размер 40 мкм и толщину 10 нм. Концентрация таких наночастиц составляет 10 масс.%. Жидкость B’, кроме того, содержит 1 масс.% поливинилпирролидона в качестве диспергирующего агента. Соотношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента равно 10. Снижение теплопередачи по отношению к данному показателю воды составляет при 25°C в режиме турбулентного потока -75%.

Способ согласно настоящему изобретению также может быть реализован, например, при любом способе производства металлических субстратов, в частности, железных сплавов. Действительно, после отжига такого металлического субстрата обычно выполняется охлаждение для получения желаемой микроструктуры. Этап охлаждения может быть выполнен с помощью способа согласно настоящему изобретению при использовании жидкого теплоносителя, имеющего коэффициент теплопередачи ниже коэффициента теплопередачи воды. Это приводит к контролируемой скорости охлаждения, которая позволяет обеспечивать микроструктуру, характер которой находится в зависимости от желаемых механических свойств и конечных применений.

Пример

Были приготовлены пробы 1 - 2 смешиванием полимолекулярных слоев нанографита, содержащего графитовые нанопластинки, имевшие поперечный размер 40 мкм и толщину 10 нм, с добавлением 1 масс.% поливинилпирролидона в качестве диспергирующего агента. Проба 3 состояла из воды.

Для каждой пробы была измерена теплопроводность образцов с помощью измерителя теплопроводности DTC-25. Степень повышения теплопроводности рассчитывалась по отношению к удельной электропроводности воды, при этом удельная электропроводность воды составляет при комнатной температуре, то есть при 20°C, 0,67 мК.

Возрастание теплопередачи в турбулентном потоке вычислялось с помощью следующей формулы:

где – коэффициент теплопередачи нанофлюидов (Дж/с·K·м²), – коэффициент теплопередачи основной жидкости (Дж/с·K·м²), – теплопроводность нанофлюидов (Дж/с·K·м), – плотность нанофлюидов (кг/м³), – теплоемкость нанофлюидов (Дж/кг·K), – вязкость нанофлюидов (кг/с·м).

Плотность нанофлюидов была рассчитана с применением гелиевой пикнометрии. Теплоемкость при 20°C была определена с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии в атмосфере азота.

* согласно настоящему изобретению.

С помощью моделирования программными средствами была вычислена эффективность охлаждения в случае проб 1, 2 и пробы 3, состоявшей из воды. В этом испытании стальной сляб, имевший плотность 7854 кг/м³, охлаждался в течение 13 секунд. Он имел длину 5 метров, ширину 1 метр и толщина сляба составляла 10 мм. Исходная температура сляба равнялась 968°C.

С одной стороны, охлаждение сляба последовательно выполнялось с пробами 1 и 2 следующим образом:

- первый этап охлаждения с пробой 1 в режиме ламинарного потока;

- второй этап охлаждения с пробой 2 в режиме турбулентного потока.

С другой стороны, использовалась проба 3 в ламинарном потоке. Следующая таблица показывает скорость охлаждения при использовании, с одной стороны, проб 1 и 2 и, с другой стороны, пробы 3.

* согласно настоящему изобретению.

Пробы 1 и 2 делают возможным медленное охлаждение, при этом скорость охлаждения с применением пробы 2 оказывается ниже, чем охлаждение с пробой 1. Таким образом, со способом согласно настоящему изобретению оказывается возможным контролирование охлаждения в сравнении с водой, то есть пробой 3.