Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Усанова О. Ю.

Московский государственный индустриальный университет, Россия

Асс. Савельев И.Л., асп. Казанцев А.Ю.

Московский государственный индустриальный университет, Россия

Перспективы применения ионной имплантации для интенсификации процесса теплообмена

В теплоэнергетике одной из наиболее актуальных является задача интенсификации процесса теплообмена. На сегодняшний день существует целый ряд методик и способов для интенсификации процессов теплообмена:

- улучшение качества теплоносителя для предотвращения негативных - отложений на поверхности теплообмена;

- дополнительная турбулизация потока теплоносителя;

- удаление из системы инертных газов снижающих интенсивность теплообмена;

- увеличение эффективной поверхности теплообмена путём оребрения и т.д.

Однако, в этих методах не учитывается влияние структуры и качество материала поверхности теплообмена на интенсивность процесса теплообмена.

Рассмотрим влияние свойств материала и состояния его поверхности на интенсивность теплоотдачи при кипении теплоносителя. Экспериментально было установлено [2], что перегрев воды при закипании зависит от свойств поверхности, с которой она контактирует.

Некоторые авторы приводят экспериментальные данные, доказывающие влияние различной степени шероховатости поверхности нагрева на теплообмен при кипении. По данным Якоба [4], при небольших температурных напорах для поверхности с большей шероховатостью коэффициенты теплоотдачи выше. Якоб предполагает, что это может быть связано с увеличением абсолютной величины поверхности. Несомненно также, что более шероховатая поверхность адсорбирует большее количество газов, что способствует возрастанию числа центров парообразования.

Корти и Фауст [2] исследовали теплообмен при кипении эфира, пентана и фреона-113 на горизонтальных поверхностях, изготовленных из меди и никеля. Авторами было установлено, что на поверхностях с большей шероховатостью коэффициенты теплоотдачи имеют более высокие значения. На рис. 1(а, б) приводятся данные по теплообмену при кипении этилового спирта на различных поверхностях нагрева, выполненных из различных материалов, а так же представлена зависимость температурного напора от степени шероховатости поверхности.

Рис.1. (а) - влияние материала поверхности теплообмена на интенсивность теплоотдачи при кипении; (б) - зависимость температурного напора от степени шероховатости поверхности теплообмена

Как видно из графиков, критический температурный напор и максимальный тепловой поток зависят от материала поверхности нагрева и её качества. Структура поверхности нагрева характеризовалась относительной шероховатостью ∆, определяемой как отношение действительной площади поверхности к геометрической (S_s/S_f).

Подобные результаты находят подтверждение в ряде исследований. Некоторые авторы приводят экспериментальные данные, доказывающие влияние различной степени шероховатости поверхности нагрева на теплообмен при кипении. Подобные результаты были получены Микейлом [2], изучавшим теплообмен при кипении жидкого кислорода и азота на различных поверхностях нагрева.

Также замечено, что зависимость теплового потока от температурного напора при снижении q отличается от зависимости, установленной при нарастании теплового потока. Это явление (гистерезис) наблюдалось также и другими исследователями [2].

Влияние шероховатости поверхности изучалось также японским исследователем Нисикава [2]. Исследование проводилось с дистиллированной водой, кипящей на горизонтальных поверхностях. На поверхность нагрева наносились имеющие форму треугольника концентричные канавки, высота которых характеризовала шероховатость. Естественно, что подобной способ изменения структуры поверхности не может рассматриваться нами как основной, в следствии чего были рассмотрены исследования воздействия ионной имплантации на структуру поверхности материала.

В работе [3] исходным образцом, была выбрана сталь марки 12Х18Н10Т. Образец подвергли имплантации ионами Cr с дозой легирования 5·10¹⁷ см^-2. Дальнейший анализ микроструктуры поверхности наглядно показал влияние ионной обработки на рельеф поверхности обработанного материала. Стоит так же отметить, что изменение рельефа образца в значительной степени зависит от природы имплантируемого материала и других параметров: дозы легирования, энергии имплантации, плотности потока и т.д.

Приведенные на рис.2 данные показывают, что воздействие ионов хрома, заметно увеличило волнистость и шероховатость поверхности рассмотренного металла, а так же привело к увеличению соотношения площади поверхности к площади фронтальной проекции S_s/S_f.

Рис.2. Параметры поверхности образца до и после имплантации ионами Cr

Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что применение технологии ионной имплантации позволяет менять текстуру поверхности, увеличивая среднюю шероховатость и, как следствие, увеличивает удельную площадь поверхности теплообмена. Это позволяет использовать ионную имплантацию для конструирования теплообменного оборудования, создания новых более эффективных поверхностей нагрева и как следствие - интенсификации теплообмена.

Литература:

1. Беграмбеков Л.Б. Модификация поверхности твердых тел при ионном и плазменном воздействии / Л.Б. Беграмбеков. – М. : МИФИ, 2001. – 34 с.

2. Особенности теплоотдачи от поверхности твердых тел, обработанных методом корпускулярного легирования / В.В. Гончаров, А.Н. Попович, М.В. Ненько [и др.] // Материалы пятой международной научно-практической конференции «Развитие научных достижений 2009» г. Полтава, Украина, 2009 г. – т. 8 – с. 19-21.

3. Черный А.А., Мащенко С.В. Текстурирование стали 12Х18Н10Т имплантацией в её поверхность нитридов хрома, молибдена и титана // Междисциплинарные исследования в науке и образовании. – 2012. – № 1 K;

4. Большая Энциклопедия Нефти Газа. http://www.ngpedia.ru.