На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Перспективы применения нанотехнологий в теплоэнергетике

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 21.09.2012. Сдан: 2011. Страниц: 8. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Перспективы применения нанотехнологий в
теплоэнергетике
Текст стендового доклада  Морозова А.П. на пленарном  заседании секции «Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства» на 67 научно-технической конференции МГТУ по итогам НИР за 2008 г. 

   К нанотехнологиям или нанотэк  принято [1,2] относить процессы и малоразмерные объекты с характерной длиной от 1 (10-9 м) до 100 нм, а применением подобных объектов занимается наноинженерия. При переходе к данному диапазону размеров многие свойства веществ и материалов (тепло- и электропроводность, оптические свойства, прочность, термостойкость и др.) изменяются существенным образом [3-11]. Например, согласно модели плавления кластеров [12,13] возможно повышение теплоемкости и уменьшение температуры плавления кластера, причем температура плавления не совпадает с температурой отверждения. При этом понижение точки плавления кластера по сравнению с массивным материалом и разность поверхностного натяжения для твердого и жидкого состояния максимальны для изолированного состояния кластера. Однако, с учетом поверхностного стабилизирующего слоя в коллоидных кластерах или межкластерных взаимодействий в твердотельных наноструктурах (при повышении температуры), эта разность в температурах плавления нивелируется. В целом свойства нанокластеров являются промежуточными между свойствами изолированных атомов и поликристаллического твердого тела. Спектр свойств вещества значительно расширяется, если наночастицы (или более ранний термин «ультрадисперсные порошки») агломерируются в объемный компактный материал. Такие нанокристаллические материалы, содержащие наряду с нанометровыми кристаллитами высоко протяженные границы раздела с частично неупорядоченной структурой, обладают новыми свойствами по сравнению с крупнозернистыми материалами такого же состава. Наноструктурные материалы по размерности структурных единиц можно разделить на: атомные кластеры и частицы; одно- и двумерные мультислои; ультрамелкозернистые покрытия и ламинарные структуры; трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы.
   Следует иметь в виду, что многие давно  используемые материалы и процессы фактически связаны с нанотехнологиями. Например, известные научно-технические направления и природные наноструктуры, такие как аэрозоли, коллоиды, пористые катализаторы, сажа (наночастицы аморфного углерода), ионообменники, алюмосиликаты, цеолиты, силикагель, глины, диатомит, кластеры, ультрадисперсные порошки, тонкие пленки и др., могут быть модифицированы и в определенном смысле отнесены к современным нанотехнологиям.
   Синтез  твердотельных наночастиц или молекулярных кластеров может производится различными способами [12-16]:
    При газофазном синтезе с конденсацией паров используют испарение материала при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности.
    При физическом плазменном испарении материалов в вакууме или в инертной атмосфере (гелии) с последующей конденсацией. Атомы гелия выступают в качестве зародышей конденсации для атомов металлов и образующиеся комплексы диффундируют к холодному коллектору в вакуум-камере, где образуются наночастицы. Для пассивирования наночастиц в вакуум-камеру вводятся определенные газы. Способ генерирования плазмы (стационарные разряды постоянного и переменного токов промышленной частоты, ВЧ- и СВЧ-разряды, а также импульсные разрядные источники плазмы [17]) во многом определяют возможность получения и модифицирования наноматериалов.
    При плазмохимическом синтезе с помощью парофазных химических реакций используется для активации низкотемпературная плазма определенных газов нагретых в различных электрических разрядах, а в качестве исходного сырья применяются элементы, их галогениды и другие соединения [18].
    При химическом восстановлении металлических наночастиц из неорганических солей с помощью органических металлогидридов, растворенных в толуоле, например: MoCl3+3NaB(-C2H5)3H®Mo + 3B(-C2H5)3 + (3/2)H2, с получением наночастиц молибдена с размерами 1-5 нм.
    При осаждении из коллоидных растворов в результате химической реакции между компонентами раствора и прерывании реакции в определенный момент времени, после чего дисперсная система переводится из жидкого коллоидного состояния - в дисперсное твердое.
    На основе твердотельных химических реакций, в частности реакции термического разложения солей и комплексов металлов, которые приводят к созданию активного атомного фона, на котором происходит нуклеация атомов и образование зародышей новой фазы в виде нанокластеров. Предпочтение отдается солям и комплексам с низкими температурами термического разложения, например карбонилам [Fe(CO5)], оксалатам [Fe2(C2O4)3?5H2O], цитратам, формиатам железа, кобальта, никеля, меди и др. Разложение таких соединений при температурах 200-260 °С в вакууме или инертной атмосфере приводит к получению кластеров металлов с размерами 100-300 нм. Нанокластеры карбидов и нитридов кремния синтезируют [14-16] с помощью высокотемпературного пиролиза при 1300 °С полисилозанов, бориды переходных металлов получают пиролизом (при 300-400 °С) борогидридов. Менее предсказуемые превращения, в смысле размеров образуемых кластеров, происходят во время химических реакций с участием твердотельных и газовых компонентов, например нанокластеры нитрида алюминия с размерами 8 нм получаются при пиролизе полиамидимина алюминия с участием аммиака при 600 °С.
    При механохимическом синтезе нанокластеры и наносистемы получают [19,20] с помощью шаровых, вибрационных или планетарных высокоэнергетических мельниц. Механическое нанолегирование проводят также в аттриторах, имеющих неподвижный корпус, в котором размалывающие шары и измельчаемый материал приводятся во вращение мешалкой. При этом механохимические реакции приводят к возникновению новых соединений, появление которых невозможно в реакциях, стимулированных температурным фактором. Импульсное и локальное механическое воздействие в области контактов вещества с инициаторами, например металлическими шарами, приводит к возникновению напряжений на поверхности контактов, с последующей их релаксацией, уменьшением свободной энергии, выделением тепла, образованием новых поверхностей, зарождением дефектов и прохождением химических реакций. Направление и глубина превращений зависит от структуры и размеров частиц исходного вещества, среды в мельнице, мощности обработки и времени воздействия, например помол в шаровой мельнице смеси дисперсных порошков Ti и C со средним размером 103 -104 нм для получения кластеров состава Ti44C56 и размеров 2-5 нм, требует времени обработки около 200 часов. При этом нанокластеры объединены в частицы сферической формы размером 300 нм. С помощью механохимического синтеза получены [14] системы тугоплавких соединений, боридов и карбидов металлов (TiC, ZrC, VC, NbC) с размерами около 7 нм, а также сплавы металлов (например, FeNi, FeAl) с размерами 5-15 нм.
    При ударно-волновом синтезе, в отличие от медленных механохимических реакций, действие ударной волны создает условия для близкого к адиабатному синтеза и диспергирования продуктов с эффективным использованием энергии. Обработкой данным методом смесей графита с металлами при давлении во взрыве 20-40 ГПа и длительности ударной волны 10-20 мкс получают [13] одиночные алмазные нанокластеры 50 нм и агломераты, состоящие из кластеров размером 1-60 нм. При использовании мощных взрывчатых веществ (смеси тринитротолуола и гексогена) давление и температура в детонационной волне составляет 15 ГПа и более 3000 К, что способствует образованию наноалмазов, с выходом 8-9 % от исходной смеси. В другом варианте получения наноалмазов [21] с помощью взрыва применяют детонацию взрывчатых веществ с недостатком кислорода и выделением свободного углерода, с последующим расширением и охлаждением продукта в газовой фазе инертной атмосферы и формированием из углерода алмазной нанофазы. Детонационный способ синтеза нанокластеров металлов и оксидов металлов также реализуется с помощью воздействия контактного заряда взрывчатых веществ. При этом в ударной волне происходит сжатие и прогрев металла (обычно пористого) или реакции разложения исходного соединения с образованием оксида металла. Если для получения нанокластеров используется активная кислородсодержащая среда, то это приводит к горению металла с образованием нанокластеров оксида, а при использовании углеродсодержащей атмосферы (например, СО2) возможно получение углеродных нанотрубок или нитевидных кристаллов (например, MgO) диаметром около 60 нм. При использовании солей или комплексов металлов для получения нанокластеров и нейтральной среды благодаря их быстрому охлаждению стабилизируются высокотемпературные и метастабильные кристаллические модификации, например кубическая модификация ZrO2.
    При электро-взрывном методе получения нанокластеров, являющегося разновидностью ударно-волнового синтеза, воздействие взрыва и ударной волны инициируется с помощью электрического взрыва проводников (проволоки диаметром 0,1-1,0 мм) при прохождении по нему мощного импульса тока длительностью 10-5-10-7 с и плотностью 104-106 А/мм2 [22]. Электровзрыв проводника приводит к значительному выделению энергии и сопровождается генерацией ударной волны и нагревом металла со скоростью 107 К/с до 104 К, что способствует взрывообразному расширению проводника со скоростью до 5?103 м/с и диспергированию перегретого металла. В результате конденсации в таком быстро расширяющемся потоке образуются кластеры с размерами до 20 нм, убывающими с увеличением плотности тока и уменьшением длительности импульса. Электровзрывом в инертной или активной атмосфере получают [13] кластеры металлов, сплавов, оксидов, карбидов, нитридов и т.д.
    При наноструктурировании под действием давления со сдвигом для достижения значительных пластических деформаций используют [23,24] сдвиг (кручение) под действием гидростатического давления, равноканальных угловых прессований, прокатки и ковки материалов. При этом происходит сравнительно медленное накопление напряжений, вызывающих дробление вещества и генерацию большого количества дефектов (дислокаций, точечных дефектов и т.д.). Причем релаксация напряжений происходит сравнительно медленно, а для сохранения напряжений и дефектов вводятся различные композиционные добавки, которые или изначально обладают отличной твердостью или удельным объемом, или изменяют его под действием давления со сдвигом (например, в результате полимеризации). Действие давления с многократным накапливанием сдвига приводит к формированию наноструктур с высокой плотностью дислокаций (до 3?1015 м-2), однако равномерность распределения дефектов по по объему материала не обеспечивается. Формирование однородной наноструктуры достигается при использовании двухканальных схем, при которых деформируемый материал подается навстречу друг другу по углом в 90°. Основной особенностью получаемых наноструктур является наличие неравновесных границ (шириной от 2 до 10 нм), которые служат источником значительных упругих напряжений, что приводит к возникновению повышенного количества дислокаций сосредоточенных на поверхности нанокластеров и сохранению избыточной энергии наноструктуры. Температурный отжиг таких структур приводит сначала к релаксации напряжений, а затем при повышении температуры происходит укрупнение кластеров за счет спекания. Наноструктурирование пластической деформацией меди приводит [13] к образованию кластеров размером от 5 до 100 нм.
    Наноструктурирование может осуществляться путем кристаллизации аморфных структур, например аморфных сплавов или нестехиометрических метастабильных материалов с высоким содержанием дефектов. Образование нанокластеров при этом возможно либо путем флуктуационного зарождения зародышей нанокристаллов с последующим их ростом, либо в результате спинодального распада термодинамически нестабильных систем на кластеры фазы, позволяющего понизить свободную энергию. Для получения нанокристаллических структур аморфные сплавы подвергаются температурному отжигу с условием возникновения наибольшего числа центров кристаллизации и с низкой скоростью увеличения размеров нанокластеров. Этого достигают [13] предварительной деформационной обработкой прокаткой перед отжигом с образованием в аморфной матрице дополнительных центров кристаллизации и уменьшением размеров кристаллитов.
   Таким образом, все способы получения  нанообъектов можно разделить на два типа: «сверху-вниз» - разделение макрообъема материала на более  мелкие и «снизу-вверх» - синтез нанообъектов из атомов и молекул. К первому типу можно отнести механические способы: механическое легирование, механоактивация, взрывные методы измельчения, распыление расплава и др.
   Нанотехнология  подразумевает не только умение получать наночастицы и работать с нанометровыми  объектами, но и создание из них более  крупных супрамолекулярных структур и изделий, в которых используются эффекты наносостояния и предназначенных для применения. В настоящее время основными методами получения компактных нанокристаллических материалов являются [14-16]: компактирование изолированных нанокластеров, синтезированных различными методами; кристаллизация аморфных сплавов; интенсивная пластическая деформация; упорядочение сильно нестехиометрических соединений и твердых растворов.
   Наиболее  распространенным методом компактирования  являются традиционные методы порошковой технологии [23], т. е. различные виды прессования и спекания, модифицированные по параметрам применительно к нанопорошкам (давление прессования и способы его приложения, температурный режим спекания, среда и скорость проведения процесса). Применяют различные способы компактирования нанопорошков [16]: холодным статическим прессованием с односторонним или двухсторонним приложением давления (до 10 ГПа и более); горячим аксиальным прессованием; холодным или горячим изостатическим прессованием в гидро- или газостатах; формованием литьем из коллоидных гелей с последующим спеканием; магнитно-импульсным, ударным и взрывным прессованием; ультразвуковым прессованием; вакуумным компактированием наночастиц, полученных конденсацией из газовой фазы; прессование с СВЧ спеканием. Компактирование (консолидация) газофазных, коллоидных, молекулярных и твердотельных кластеров с помощью прессования и последующего высокотемпературного спекания приводит к образованию наноструктур. Основные трудности, возникающие при изготовлении изделий из нанопорошков, связаны с интенсивной рекристаллизацией и остаточной пористостью [24]. Наиболее плотно организованные наноструктуры получаются из наиболее малых и монодисперсных кластеров. Для сохранения малого размера нанокристаллитов в наноструктурах необходимы низкие температуры спекания, сокращение продолжительности воздействия высоких темпреатур и введение легирующих добавок, препятствующих росту кристаллов. Поэтому высокую эффективность показывает [13] магнито-импульсное прессование, осуществляемое под действием импульсных волн сжатия и сопровождающееся локальным разогревом за счет быстрого выделения энергии при трении нанокластеров в процессе упаковки. В целом существующие методы компактирования нанокристаллических порошков и спекания компактных наноматериалов позволяют получать достаточно плотные изделия разной формы. Однако сохранить в спеченных наноматериалах малый размер зерен, что и в исходных нанопорошках (20-30 нм), не удается – он повышается в среднем до 200-300 нм. Таким образом, для сохранения малого размера зерен необходимо уменьшать температуру спекания и сокращать продолжительность спекания, проводить спекание при высоком динамическом или статическом давлении.
   Перспективным способом получения компактных сверхмелкозернистых пластически деформируемых материалов со средним размером зерен ? 100 нм является интенсивная пластическая деформация [16] в том числе при консолидации порошков. В основе метода лежит формирование за счет высоких деформаций сильно фрагментированной и разориентированной структуры, сохраняющей в себе остаточные признаки рекристаллизационного аморфного состояния. Для создания деформаций используют различные методы: кручение под высоким квазигидростатическим давлением [25,26], равноканально-угловое прессование [27], всестороннюю ковку. При этом реализуется многократная интенсивная пластическая деформация сдвига в материале с достижением истинной логарифмической степени деформации на уровне 4-7. Причем с уменьшением среднего размера зерен возможно получение массивных образцов с практически беспористой структурой материала, чего не удается достичь компактированием высокодисперсных порошков. Формирование деформационными методами субмикрокристаллической структуры отличается образованием неравновесности границ зерен, которая служит источником высоких упругих напряжений, и сопровождается заметными изменениями физических свойств металлов, сплавов и соединений (например, карбидов). Однако отжиг таких материалов при температуре, составляющей примерно 1/3 от температуры плавления, приводит к релаксации напряжений, переходу границ зерен из неравновесного в более равновесное состояние и незначительному росту зерна, а дальнейший рост температуры или увеличение длительности отжига вызывают собирательную рекристаллизацию, т.е. укрупнение зерна. Получение наноструктур после интенсивной пластической деформации выявило [28] повышение служебных свойств для следующих металлов: в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu с интерметаллидами переходных металлов – увеличение микротвердости до 2,8-2,9 ГПа и сопротивления коррозии под давлением; для титана марки ВТ1-0 – повышение коррозионной стойкости; для чистого никеля – повышение микротвердости до 3,5-4 ГПа; для меди – повышение электро- и теплопроводности, снижение локальной межкристаллитной коррозии.
   Разновидностью  механо-химико-деформационного способа нанесение нанопокрытий является метод фрикционного плакирования вращающимися металлическими щетками [29,30] с использованием в качестве материала покрытия чистой меди, железомедных сплавов (Fe50Cu50), бронзы (Cu90Al10), купроникеля (Cu90Ni10), нанокомпозитов, например, медных композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами (Cu90/SiC10, Cu99/Al2O31) и др.
   Получение наноструктуры возможно в компактных образцах сильно нестехиометрических соединений, например карбидов, оксидов или нитридов переходных металлов (MXV, где М = V, Ti, Zr, Nb, Ta; X – C, O или N) и в твердых растворах замещения (АxB1-x), за счет атомного упорядочения в процессе фазовых превращений типа порядок-беспорядок [16]. Этот способ основан на сохранении метастабильного неупорядоченного состояния нестехиометрических карбидов и нитридов при низкой температуре с помощью закалки от высокой температуры [31-34]. Такие фазовые превращения являются переходами первого рода и сопровождаются скачкообразным изменением периода решетки и объема. Например, для компактных спеченных образцов карбида VC0,875, полученных горячим прессованием порошка при температуре 2000 К и давлении 20-25 МПа в токе чистого аргона, последующие отжиг или закалка в безокислительных условиях приводят к формированию наноструктуры, за счет фазовых превращений и образования доменов упорядоченной фазы. При этом размер доменов тем меньше, чем выше температура, от которой производится термическая обработка, и чем больше скорость охлаждения. Микротвердость образцов, полученных спеканием нанопорошка карбида ванадия, в 2-3 раза превышает микротвердость крупнозернистого карбида ванадия и приближается к микротвердости алмаза.
   Нанокристаллическая структура может быть создана путем кристаллизации аморфных сплавов (или металлических стекол), наиболее отработанным способом получения которых является [35] метод спиннингования – образование тонких лент с помощью сверхбыстрого охлаждения (со скоростью > 106 К/с) расплава на поверхности вращающегося барабана. Для кристаллизации ленту аморфного сплава отжигают при контролируемой температуре. В целом, механические и другие свойства аморфных сплавов можно существенно улучшить, если с помощью кристаллизации создать в них нанокристаллическую структуру. Кристаллизацию аморфных сплавов проводят [36,37] при обычном и высоком давлении или совмещают с деформационной обработкой. Однако этот способ пригоден только для сплавов, которые можно закалить из расплава в аморфное состояние.
   Непрерывные компактные слои нанокристаллических  материалов (с толщиной не более нескольких мкм) получают в виде беспористых пленок и покрытий осаждением наночастиц из паров, плазмы или коллоидных растворов на холодную или подогретую поверхность подложки, без применения прессования. Для получения наноструктурных пленок используют [16]: химическое (CVD) и физическое (PVD) осаждение из газовой фазы; дуговые разряды в вакууме, инертных или активных газах; ионно-плазменное дуговое и магнетронное распыление; золь-гель технология осаждения или соосаждения наночастиц оксидов на подложку с последующей сушкой и отжигом; импульсное электроосвждение. Пленки как наноструктурные материалы универсальны по составу, а размер кристаллитов в них может меняться в широком интервале, включая аморфное состояние и многослойные структуры (сверхрешетки). Например, покрытия из нитрида TiN или карбонитрида TiCxNy титана существенно повышают абразивную и эрозионную стойкость сопел и лопаток турбин, коррозионную стойкость металлов и сплавов.
   В целом, компактирование наноматериалов связано с ростом зерна при нагреве материалов – рекристаллизацией, температура которой у них понижена. Поэтому используют либо «теплый» нагрев аморфных материалов, либо особые виды деформации, совмещающие общую высокую деформацию с деформацией сдвига (гидроэкструзию). Свойства компактных нанокристаллических металлов и сплавов в сильной мере зависят не только от размеров зерен, но и от структуры и состояния межзеренных границ, полученных различными методами, а также очень чувствительны к примесям кислорода (водорода и др.). В таких компактных наноматериалах границы зерен отличаются либо высокой плотностью дислокаций, либо имеют квазиаморфное или сильно искаженное кристаллическое строение, либо границы раздела находятся в неравновесном напряженном состоянии с избыточной энергией. При этом релаксация таких неравновесных границ раздела происходит самопроизвольно даже при комнатной температуре и сопровождается ростом зерен. Кроме того, развитая площадь границ раздела обуславливает высокую химическую активность нанокристаллических металлов, приводящую к деградации свойств. Поэтому керамические (оксидные) наноматериалы более стабильны, чем металлические, причем их структура и размер зерен могут оставаться неизменными даже после высокотемпературного отжига.
   Таким образом, новые нанокристаллические  материалы будут создаваться  не на базе металлов, а предпочтительно на основе стабилизированных многокомпонентных систем. Соединения металлов (оксиды, нитриды, карбиды и др.), имеющие высокую температуру плавления и термическую стабильность будут основными компонентами нанокристаллических материалов со стабильными свойствами и длительным сроком эксплуатации.
   В связи с этим, значительные перспективы имеют наноструктурные композиты на основе карбидов, нитридов, боридов и др. с металлами-связками, превосходящие по прочности, ударной вязкости, износостойкости и т.д. аналогичные материалы с обычной, зернистой структурой. Повышенные характеристики наноструктурных материалов объясняются тем, что между частицами разных фаз формируются трехмерные контакты, в результате чего образуется структура, которую топологи называют «непрерывной в двух направлениях». При получении подобных материалов используют механическое перемешивание соответствующих порошков с последующим холодным прессованием. Однако достигаемая степень однородности механического перемешивания ультрадисперсных порошков не позволяет получать в конечном спеченном продукте зерна размером меньше 300 нм. Предварительное наноразмерное перемешивание порошков возможно химическим методом, при котором однородный порошок-плуфабрикат изготавливается методом сушки при распылении смеси растворов соответствующих солей, а затем подвергается термохимической переработке в псевдоожиженном слое с пиролизом, восстановлением и наглероживанием (азотированием, борированием и т.д.) для превращения в конечный продукт – нанофазный порошок с металлической связкой (например, WC/Co; TiC/Fe и др.) с размерами частиц от 30 до 40 нм. Жидкофазное спекание таких частиц с введением небольшого количества ингибитора роста зерен (например, VC) позволяет избежать укрупнения зерен и получить нанокомпозитный продукт [38-40].
   Нанопорошки из керамики и керметов могут использоваться в качестве исходного материала для получения наноструктурных покрытий на различных деталях энергетического оборудования методом термического или плазменного напыления для повышения изностойкости и коррозионной стойкости.
   В связи с бурным развитием нанотехнологий в области теплофизики и теплоэнергетики возникают следующие актуальные задачи:
   1) Необходимость изучения теплофизических свойств наноматериалов, кинетики, термодинамики фазовых переходов и теплопереноса в нанообъектах. Определение особенностей процессов аккумуляции и переноса тепла и газов в различных наноструктурных материалах.
   2) Обоснование областей применения  материалов с нанотехнологическими  свойствами (нанокластеров, нанокристаллов, нанопленок, нанозернистых веществ,  нанотрубок, фуллеренов, дендримеров и др.) в теплоэнергетике.
   3) Оценка возможностей использования  жидких и псевдоожиженных наноматериалов в качестве теплоносителей и охлаждающих жидкостей. Использование для повышения коэффициента теплопередачи в теплообменниках «наножидкостей» - суспензий наночастиц, имеющих повышенные показатели теплопереноса.
   4) Разработка новых и совершенствование  существующих принципов генерации  энергии, например применение сверхкритических параметров пара, использование водоугольного топлива, технологий газификации с последующим парогазовым циклом, водородной энергетики, топливных элементов.
   5) Водоугольные суспензии со сверхтонким измельчением частиц являются [41,42] альтернативными псевдожидкими энергетическими топливами для теплоэлектростанций, использование которых связано с наноразмерным измельчением угля и получением текучих и стабильных систем с высокими реологическими свойствами и концентрацией твердой фазы при пластифицировании химическими добавками (солями гуминовых кислот). Наносуспензии обеспечивают эффективное течение и распыливание водоугольных смесей при концентрации твердой фазы до 50-80 % с высокой агрегативной устойчивостью и исключением закупорки трубопроводов при транспорте суспензионного топлива. Для повышения теплоты сгорания и исключения замерзания при температурах ниже нуля часть водной дисперсионной среды может быть заменена энергонесущими компонентами, в частности спиртами или смесями спиртов и углеводородов, получаемых синтезом из продуктов газификации углей (СО и Н2) на высокоселективных Fe- и Со-содержащих нанокатализаторах. Водно-угольные суспензии (технологии «ЭкоВут») получают из угля любого качества, и при сжигании он выгорает практически полностью (на 98-99 %), поэтому возможно использование суспензий в парогазовых установках.
   6) Повышение эффективности сжигания топлив с использованием наноразмерной подготовки к сжиганию и каталитического сжигания; использование твердооксидных наномембран, которые позволяют реализовать конверсию углеводородов, используя кислород воздуха, проходящий через мембраны.
   7) Разработка и использование новых наноматериалов и процессов для защиты окружающей среды, технологий связывания СО2, методов очистки воды и воздуха, например с помощью высокоэффективных разделительных наномембран.
   8) Сверхтонкое измельчение углеродных материалов (менее 400 нм) позволяет значительно увеличить удельную поверхность порошков и использовать их для создания эффективных адсорбентов, наполнителей композиционных материалов, углеродных нанотрубок и для повышения способности к графитизации и служебных свойств графитовых изделий [43].
   9) Применение нанопокрытий для защиты металлов от коррозии, за счет адсорбции ингибиторов коррозии или взаимодействия катионов защищаемого металла с компонентами среды, например модифицирование тонких оксидных (магнетитовых) покрытий испарительных труб парогенераторов и труб систем отопления и горячего водоснабжения.
   10) Использование наноматериалов для безразборного ремонта и восстановления трущихся деталей машин и агрегатов по технологии «Smart self» («интеллектуальное самовосстановление»), заключающейся в присадке к смазочным маслам различных присадок, например металлоплакирующих, полимерных и геомодификаторных [44], позволяющих реализовать эффект безызносности – избирательного переноса при трении. Металлоплакирующие присадки к смазочным материалам делятся на порошковые (с ультрадисперсными порошками) и ионные - содержащие смесь жирных кислот, их полностью маслорастворимых солей пластичных металлов (Cu, Cr, Al, Sn, Zn, Fe, Pb, Ag) и глицерина (например, 50 % олеиновой кислоты и 50 % олеата меди). При этом на поверхности трения при температурах 150-200 °С образуются медные или полимерные наноструктурные пленки («сервовитовые» и «серфинг-пленки») с оптимальной шероховатостью. В качестве полимерных присадок (менее 4 %) используют наноразмерные порошки «скользких» полимеров, например политетрафторэтилена (PTFE или тефлона), фторопласта-4 и эпилама и др., беспрепятственно проходящие через ячейки масляных фильтров. При этом в процессе обработки полимеры покрывают трущиеся поверхности деталей или формируют спиральные структуры, перпендикулярно ориентированные к поверхности трения, и заменяют трение металла о металл трением полимера по полимеру. Геомодификаторы получают на основе смеси наноразмерных комплексов природных (серпентизированные ультрабазиты, каолинит, доломит, бентонит, шунгит и др.) и синтетических (шпинели, BN, MoS2) металлокерамических соединений, редкоземельных катализаторов и графита. Компоненты таких присадок вступают во взаимодействие с трущимися участками деталей и формируют на них металлокерамические слои, частично восстанавливающие дефекты поверхности трения и обладающие высокими антифрикционными и противоизносными свойствами. Атомы углерода из данных составов при определенных условиях диффундируют в глубину приповерхностного слоя металла и вызывают упрочнение его дислокаций (с возникновением «булатного» эффекта). Антифрикционные кондиционеры или рекондиционеры металла – вещества, позволяющие восстанавливать структуру и состав поверхности посредством доставки необходимых компонентов. Механизм действия данных присадок основан на взаимодействии (адсорбции) их ПАВ, например, соединений на основе фторокарбонатов кварца, хлоропарафинов, эстеров (смол хвойных деревьев и др.), с поверхностью трения. При этом происходит избирательное растворение веществами кондиционера железа и легирующих элементов конструкционного материала детали, пластифицирование поверхностей трения и формирование на них наноразмерных слоев железа с включениями остаточных фаз углерода, по свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для эффектов безызносности и «масляной шубы». Антифрикционные и противоизносные слоистые добавки включают элементы и соединения с низким усилием сдвига между слоями (графит, MoS2, WS2, BN и др.). Например, коллоидные («черные») смазки с ультрадисперсным наноразмерным графитом или MoS2 в смеси с 65 % эстеров, резко снижают трение и износ трущихся соединений. Мнение о том, что фуллерены являются идеальной твердой смазкой, экспериментально не подтвердилось [45], однако при вводе фуллеренов в смазочные масла повышается износостойкость и ресурс оборудования, а введение неабразивных наноалмазов (диаметром около 46 нм) и кластерного углерода в смеси с диэфирами и антиоксидантами позволяет ускоренно прирабатывать трущиеся соединения агрегатов. Наноалмазный состав изменяет реологические свойства масла, и реализует безабразивную трибохимическую приработку металлических поверхностей трения с низким износом и равновесной шероховатостью на основе процесса «износ-восстановление» [44]. Рассмотренные присадки, модифицированные по нанотехнологиям, повышают срок службы оборудования и снижают интенсивность изнашивания, шум, вибрации и потери на трение в подшипниках и приводах.
   11) Применение в теплоэнергетике наноструктурных конструкционных материалов, в частности:
   - новых марок сталей с повышенной прочностью, термостойкостью, коррозионной стойкостью и др.;
   - использование сталей с регулируемым  числом, размерами и границами  кристаллических зерен с повышением их прочности и другие характеристик [46];
   - применение сталей с включениями из наноразмерных оксидов или нитридов;
   - нанесение покрытий атомной толщины на металлические поверхности для повышения прочности, увеличения коррозионной стойкости, снижения трения;
   - организация процессов науглероживания или нанесение покрытий (карбидных, нитридных) с наноструктурой;
   - получение поликристаллических  изделий путем прессования нанопорошков;
   - изготовление наноструктурных керамических, металлокерамических и металлических изделий с точными размерами, например спеканием под высоким давлением нанофазной оксидной керамики;
   - применение аморфных (некристаллических)  веществ;
   - применение «умных» наноматериалов (способных следить за собственным состоянием и функционированием).
   Повышение активности и селективности катализаторов возможно при переводе их в ультрадисперсное состояние. Значительные перспективы имеет использование катализаторов на основе нанопорошков Fe, Ni, Co, Fe-Co для процесса прямого синтеза углеводородов (олефинов, алкенов, алканов, спиртов) из синтез-газов, содержащих СО и Н2, при атмосферном давлении (синтез Фишера-Тропша) [47,48]. С повышением дисперсности порошка железа его каталитические свойства возрастают, что связано с увеличением удельной поверхности и возрастанием вклада поверхностной энергии в свободную энергию системы. Избыточная поверхностная энергия приводит к повышению химической активности порошка, влияет на решеточную и электронную подсистемы, приводит к образованию на поверхности дефектов и структур, не присущих массивному состоянию плавленого катализатора. Данные факторы приводят к увеличению на поверхности катализатора количества активных центров и изменению характера сорбции на них атомов и молекул. Например, при гидрогенизации СО на различных катализаторах (Fe, Fe-Co) с температурой 300 °С и давлением 0,1 МПа [49] при уменьшении среднего размера порошка катализатора со 100 до 8-12 нм происходит увеличение выхода по олефинам (С2Н4, С3Н8) с 10 до 62 ат.% и снижение содержания в составе продуктов метана – с 53 до 29 и парафинов – с 22 до 9 ат.%.
   Будущее энергетики связывают с твердооксидными  топливными элементами с нанокерамическими  электролитами с ионной проводимостью, которые могут явиться основой  энергетических установок прямого, беспламенного преобразования химической энергии в электрическую. При этом топливные элементы, работающие при температуре порядка 800-1000 °С, используют водород, природный газ или синтез-газ (Н2 + СО), полученный из других углеводородов при внешнем реформинге, например при газификации и конверсии угля.
   На  кафедре «Теплотехнических и  энергетических систем» МГТУ разработаны  различные конструкции дуговых  плазмотронов [50] и плазмохимических ректоров [51], а также способы плазменной конверсии углеводородов [52], которые могут использоваться для получения металлических, керамических и углеродных наночастиц. В частности, при электродуговом распылением графита при горении дуги между графитовыми электродами в атмосфере гелия с давлением 0,01 МПа, на холодной поверхности получена конденсирующаяся сажа, из которой при обработке в кипящем толуоле или бензоле и последующем выпаривании раствора, выделен черный конденсат, состоящий на 10-15 % из фуллеренов С60 и С70 или нанотрубок.
   Таким образом, применение в теплоэнергетике  наноструктур и нанотехнологий позволит достичь повышенных рабочих параметров и конструктивных возможностей в эффективности традиционных и новых энергетических систем. 
 
 

Библиографический список
   1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследования / Под ред. М.К. Роко: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. 292 с.
   2. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию: Пер. с японск. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.134 с.
   3. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. М.: Атомиздат, 1977. 264 с.
   4. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.Н. Физические явления в ультрадисперсных средах. М.: Наука, 1984. 472 с.
   5. Непийко С.А. Физические свойства малых металлических частиц. Киев: Наукова думка, 1985. 248 с.
   6. Петров Ю.П. Кластеры и малые частицы. М.: Наука, 1986. 150 с.
   7. Губин С.П. Химия кластеров. М.: Наука, 1987. 220 с.
   8. Структура и свойства нанокристаллических материалов / Под ред. Г.Г. Талуца. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 402 с.
   9. Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы / Под. ред В.Е. Редькина. Красноярск: КГТУ, 1999. 287 с.
   10. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд А.С. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. 672 с.
   11. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Изд-во МГУ, 2003. 250 с.
   12. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2006. 336 с.
   13. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия кластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.
   14. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 200 с.
   15. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит, 2001. 224 с.
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.