Композиційний матеріал у формі легкоплавкого розплаву металів як приймач-передавач тепла

1. Композиційний матеріал у формі легкоплавкого розплаву металів як приймач-передавач тепла, який відрізняється тим, що створює градієнтний тепловий потік та водночас реалізує фазовий перехід другого ступеня, має рідкий фазовий стан в інтервалі робочих температур та низьку в'язкість та містить не менш ніж 48 мас. % основних компонентів, не більш ніж 61 мас. % суми основних компонентів та компонентів, які знижують в'язкість та U 2 (19) 1 3 іншим середовищем (твердим тілом, рідиною або газом). Процеси теплообміну в значній мірі формалізовані та описані. Розроблений спеціальний математичний апарат (рівняння Фур'є). Але, розробка композиційних матеріалів, які одночасно є пристроями, що керують процесами теплопровідності, на даний час залишається невирішеною проблемою. З рівня техніки відомі легкоплавкі розплави металів, які реалізують фазовий перехід другого ступеня, наприклад розплав Вуда, розплав Роузе та інші, але, при цьому вони не здатні створювати керований градієнтний тепловий потік, тобто виконувати заздалегідь визначені функції спеціального каталізатору процесу теплообміну, який значно прискорює процес переміщення теплоти у системах, які потребують цього. Зокрема, важливим напрямком досліджень у даний час є проблеми відведення теплоти від систем та їхніх елементів, які нагріваються в процесі роботи. Прикладами таких систем є, зокрема, теплові труби, що являють собою теплопередаючі пристрої сучасних систем охолодження та термостабілізації космічних та авіаційних приборів та апаратів; процесори та інші елементи комп'ютерів, які піддаються значному нагріванню під час роботи. Наведені вище приклади стосуються проблеми відведення та перетворення теплоти, проте, існують ще проблеми, пов'язані з необхідністю спрямованої дії теплового потоку, від чого залежить швидкість та якість протікання хімічних реакцій, хімічних, нафтохімічних та біологічних перетворень та/або розкладів вихідних речовин на складові елементи. Рівноважні системи добре відомі з рівня техніки та вносять свій важливий вклад при створені приймачів та/або передавачів тепла. Але більш цікавими з точки зору сучасної техніки та технологій виглядають не рівноважні системи, дія та поведінка яких виходить за рамки звичних законів та явищ, що добре працюють у рівноважних системах. Прикладом таких не рівноважних систем, відомих з рівня техніки, є теплові труби, що являють собою замкнені контейнери із розділеними в просторі зонами відбору тепла та зонами віддачі тепла. Тобто на одному кінці знаходиться киплячий теплоносій, а на іншому відбувається конденсація. Передача тепла у такій системі відбувається із значно більшою інтенсивністю, ніж та, що визначається температурою нагрівання у рівноважних система. Проте теплові труби мають вузькоспеціалізоване застосування та їх дуже важко спрямувати до інших галузей техніки та промисловості для вирішення проблем та задач, які потребують такого вирішення. Нажаль винахідникам не вдалося знайти пристрій, який можна було би взяти за найближчий аналог корисної моделі, що заявляється. Метою даної корисної моделі є завдання створення композиційного матеріалу у формі легкоплавкого розплаву металів як приймач-передавач тепла, що створює градієнтний тепловий потік та водночас реалізує фазовий перехід другого ступе 48440 4 ня. Це дасть змогу використовувати композиційний матеріал у якості пристрою, що перерозподіляє теплоту у необхідному для кожного конкретного завдання напрямку. Поставленої мети вдалося досягнути за рахунок створення композиційного матеріалу у формі легкоплавкого розплаву металів як приймачапередавача тепла, який створює градієнтний тепловий потік та водночас реалізує фазовий перехід другого ступеня, має рідкий фазовий стан в інтервалі робочих температур та низьку в'язкість, та містить не менш ніж 48мас. основних компонентів, не більш ніж 61мас. суми основних компонентів та компонентів, які знижують в'язкість та температуру плавлення, від 0,1 до 1мас. легувальних елементів атомною масою у діапазоні 157-170 та домішки, що включають метали п'ятого періоду періодичної системи Менделєєва, за умови, що адитивна сума атомних ваг матеріалу знаходиться у діапазоні 157-170. Цей композиційний матеріал у формі легкоплавкого розплаву металів має температуру плавлення не вище за 65 С та в'язкість не вище за 3 10-6м2/с. Дія винайденого композиційного матеріалу як приймача-передавача тепла починається після того, як внаслідок нагрівання композиційний матеріал, що у вихідному стані є твердим тілом, перетворюється на рідину. Для спрямування дії передаючого тепло пристрою, композиційний матеріал вміщують в оболонку, як правило, стальну або іншу, яка має високий ступінь теплопровідності. Товщина шару композиційного матеріалу Ткм залежить від форми оболонки та розраховується за формулою: Ткм=Ккм N, де Ккм - розрахункова величина коефіцієнту, яка обирається з діапазону 5,4-7,1мм в залежності від форми оболонки; N-1,2,3.... Принцип діє композиційного матеріалу (KM), як приймача-передавача тепла, полягає у наступному: - склад основних компонентів, компонентів, які знижують температуру плавлення та в'язкість, та легувальних елементів обирають відповідно до призначення композиційного матеріалу (підводу або відводу тепла, термостабілізації та ін.) по відношенню до об'єкту, на який спрямована дія композиційного матеріалу; - після перетворення КМ у рідину внаслідок нагрівання за допомогою зовнішнього джерела тепла або тепла від об'єкту впливу виникає гідродинамічний стан, яке включає парну сукупність вихрових та струминних елементів електропровідної рідини. Магнітні поля, які виникають при цьому, дозволяють системі акумулювати та перерозподілити енергію у не тепловій формі. Крім цього, наявність лінійного та вихрового руху, який реалізується в ортогональних (площина та відрізок) напрямках дозволяє отримати градієнт температури в елементарній вихрово-струминної ячейці, який спрямований за радіусами в площині існування вихра. Такі елементарні не рівноважні випромінювачі із більш гарячим ядром (або перифе 5 рією) та більш холодною периферією (ядром) являють собою стратифіковану рідину. Стратифіковані рідини мають ряд властивостей, одним з яких, у контексті корисної моделі, що заявляється, є негативна теплоємність. Наявність суміжних ділянок гідродинамічних збурень із знакозмінною теплоємністю дозволяє отримати суттєво більш інтенсивний тепловий потік, ніж середньостатистичний потік від всієї поверхні випромінювання. Система перерозподіляє власний тепловий потенціал, створюючи джерела випромінювання тепла, температура якого значно перевищує середнє значення температури середовища, у якому вони утворені. Саме ці джерела не рівноважного випромінювання є джерелами впливу на об'єкт. Області стратифікації з негативною теплоємністю є компенсаторами для збереження середнього значення температури, як термодинамічної характеристики об'єкта в цілому. Керування технологічним процесом, у якому бере участь композиційний матеріал, визначається, у першу чергу, складом розплаву металів. Баланс сил поверхневого натягнення (в'язкість), електричних сил та сил, які визначають теплопровідність, впливають на розміри елементарної ячейки стратифікованої рідини. Розмір ячейки визначає кількість ячеєк на поверхні композиційного матеріалу та, відповідно, інтенсивність не рівноважного випромінювання. Геометрія (конфігурація оболонки, товщина шару) також впливає на процес утворення та розмір ячейки. Інтенсивність теплового потоку, який використовується у якості джерела збудження, також має вплив на процес утворення ячейки. Доцільно у якості основних компонентів використовувати вісмут або вісмут та олово. Доцільно у якості компонентів, які знижують в'язкість та температуру плавлення, використовувати ртуть та будь-яку комбінацію ртуті із свинцем, талієм, кадмієм, індієм та галієм. Доцільно у якості легувальних елементів використовувати гадоліній та тулій або гадоліній та тулій у будь-якій комбінації із тербієм, диспрозієм, гольмієм та ербієм. Корисна модель, що заявляється, дозволяє вирішити проблему перерозподілу теплоти, необхідного для вирішення конкретного технічного завдання. Корисна модель, що заявляється, може використовуватися у багатьох галузях техніки та промисловості. Для підтвердження можливості здійснення корисної моделі розглянемо декілька прикладів, де композиційний матеріал використовується як у якості передавача тепла, так й у якості приймача тепла. Зрозуміло, що наведені нижче приклади не обмежують обсяг прав, який визначається формулою корисної моделі, а використовуються з метою ілюстрації дії корисної моделі. Приклад 1. Використання композиційного матеріалу в установці, яка реалізує процес низькотемпературного піролізу біомаси. Процес піролізу проводили в реакційній ємності, вихідну речовину завантажували у циліндричну металічну трубу, обладнану шнековим пристроєм для транспортування вихідної речовини у 48440 6 вісному напрямку. Реакційну ємність розміщували уциклонній топці, для нагрівання якої використовували як вихідну речовину, так й будь-який горючий матеріал. Випробування проводили при атмосферному тиску. а) без застосування композиційного матеріалу процес піролізу проходив при температурі 9001100 С, витрати палива на переробку 1000кг вихідної речовини (тирса сосни) складав 900кг тирси, швидкість отримання пірокарбону складала не 2 більш ніж 100г/м за секунду. б) модифікація установки полягала в обладнанні циліндричної труби двома напівоболонками, в нижній напівоболонці розміщували шар композиційного матеріалу, а в верхній напівоболонці теплоносій у вигляді водяної пари. Для експерименту використовували ту ж саму вихідну речовину, що й у експерименті а). Процес піролізу проходив при температурі 220-300 С, витрати палива на переробку 1000кг вихідної речовини складав 300кг тирси, швидкість отримання пірокарбону складала 2 не менш ніж 120г/м за секунду. Приклад 2. Конверсія пірокарбону а) зрозуміло, що без застосування композиційного матеріалу конверсія пірокарбону при температурі 300 С та атмосферному тиску неможлива. б) із застосуванням нижньої напівоболонки, що містить композиційний матеріал. Пірокарбон переміщують за допомогою шнеку у генераторі разом із паром, який утворився при розпаді біомаси, при зазначеній вище температурі. Відбувається взаємодія води із вуглецем з отриманням СО та Н2, інтенсивність випалення складає 20г/с вуглецю. Приклад 3. Очищення синтез газу Отриманий на етапі конверсії пірокарбону синтезгаз піддавали додатковому очищенню за допомогою установки Фішера-Тропша при температурі 180-210 С, яка є складовою частиною зазначеної у Прикладі 1 установки. Для цього синтезгаз переміщували по трубі зі шнеком, під час переміщення синтезгаз контактував із залізом, що міститься у стінках труби, що приводило до синтезу газів С1С4. При цьому отримували суміш газів наступного складу: СО2 вуглекислий газ - 4,8мас. СО чадний газ - 17,4мас. Н2 водень - 17,8мас. СН4 метан - 39,8мас. С2Н6 етан - 12,5мас. С3Н8 пропан - 5,4мас. С4Н10 бутан - 2,3мас. Зазначені у Прикладі 1 витрати палива забезпечують виконання усіх трьох процесів, наведених у Прикладах 1-3. У результаті використання композиційного матеріалу у зазначених вище експериментах спостерігається не теплове прирощення об'єму вуглеводнів, які підпадали під дію трансформованого теплового потоку, що підтверджує наявність та накопичення енергії не теплової природи. До речі, контакт мазуту із композиційним матеріалом (теплотрансформатором) приводить до 7 48440 зростання його об'єму на 33 на кожні 100 С нагрівання, а фізичне розширення при нагріванні складає 15 на кожні 100 С нагрівання. Додаткове прирощення об'єму мазуту супроводжується збереженням калорійності мазуту на рівні вихідного. Цей приклад також є підтвердженням накопичення енергії від джерела тепла у вигляді змін, а в апроксимації, руйнації молекулярної структури. Приклад 4. Використання композиційного матеріалу для відводу тепла Використовували рекуперативний теплообмінник для охолодження мазуту із перепускністю 2т/год. При використанні теплообмінника без композиційного матеріалу ефективність охолодження складала 30-40 С, те Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 8 мпература мазуту знижувалася з 360 С до 320 С. При обладнанні 30 поверхні теплообмінника композиційним матеріалом ефективність охолодження складала 140 С, температура мазуту знижувалася з 360 С до 220 С. Наведені вище Приклади підтверджують корисність композиційного матеріалу, що заявляється, у різних галузях техніки та виробництва, де може використовуватися як приймач-передавач тепла у системах нагрівання, охолодження та термостабілізації у процесах експлуатації, обробки, переробки, розкладу та/або перетворення вихідних матеріалів, які потребують підведення, термостабілізації та/або відведення тепла. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601