МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
MAGNETORHEOLOGIC COOLANT AND METHOD OF ITS APPLICATION

Изобретение относится к области теплообмена и теплообменной техники, а именно к теплоносителям (хладоносителям) и способам их применения для холодильных установок и систем, а также для систем кондиционирования, обогрева и создания комфортной среды в зданиях и сооружениях.
Известен теплоноситель в виде жидкой среды, содержащей диспергированные наночастицы металлов и подобных материалов [1 и 2], где в жидком щелочном металле (натрий) диспергированы и равномерно распределены наночастицы никеля. Подобный теплоноситель применяется в системах теплосъема атомных реакторов.
Данный теплоноситель невозможно использовать в системах хладо- и теплоснабжения в холодильной технике и кондиционировании, где диапазон рабочих температур теплоносителя лежит в пределах от плюс 20 до минус 40°С, а температура плавления основных щелочных металлов имеет границы от плюс 180°С у лития, 98°С у натрия и 64°С у калия.
Известен также жидкий теплоноситель [3], содержащий наночастицы и карбоксилаты, в котором для улучшения его теплопроводности используют наночастицы алюминия или оксида алюминия покрытые карбоксилатной пленкой. Этот теплоноситель обладает улучшенными теплофизическими свойствами по сравнению с обычными теплоносителями без наполнения наночастицами. Однако, он не может использоваться в системах регулирования теплопроводности и потока, например, путем приложения магнитного поля вследствие немагнитности материала частиц.
Известен класс магнитных жидкостей (МЖ) на основе дисперсной магнитной фазы наночастиц магнетита, гамма-оксида железа, ферритов марганца, кобальта, цинка и никеля, связанных поверхностно активным веществом в состояние коллоидного раствора. [4-6]. Эти МЖ наряду с применением в измерительной технике, используются при очистке нефтяных загрязнений, а также при магнитной сепарации фракций материалов и др.
Подобный класс жидкостей с магнитными свойствами имеет весьма сложную технологию изготовления для практического применения и не рекомендуется к использованию в системах тепло- и хладоснабжения и кондиционирования в качестве теплоносителя, ибо при существенных расходах и скоростях циркуляции в контуре теплоносителя проявляются его коррозионно-абразивные свойства и наблюдается усиление эффекта кавитационного воздействия на элементы контура, в особенности в отношении насосов для перекачки теплоносителя. Потоки подобных теплоносителей в системе хладоснабжения или отопления по известным способам применения регулируются и управляются за счет традиционных элементов механической или электромеханической арматуры.
2
2
3
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является магнитореологическая жидкость (МРЖ), например, суспензия на основе полиэтилсилоксановой жидкости с микрочастицами оксида хрома CrO или железа FeO, покрытыми ПАВ [7].
Подобная МРЖ обладает магнитными свойствами при воздействии на нее постоянного магнитного поля и может быть использована для регулирования динамической вязкости и управления перетеканием жидкости в ограниченных объемах устройств перемещения.
В то же время, ее применение в качестве потока циркулирующего теплоносителя в трубопроводах и теплообменном оборудовании холодильных и кондиционерных систем неэффективно и нецелесообразно по нижеследующим соображениям:
- подобная МРЖ, снабженная твердотельными частицами металла оксида хрома или железа остроугольной формы и структуры, при работе в циркулирующем потоке становится источником коррозионно-абразивного воздействия на материал труб и холодильного оборудования;
- кроме того, она является источником усиления кавитационного воздействия с нарушением целостности каналов подачи жидкости в насосах перекачки МРЖ в системах тепло и хладоснабжения;
- МРЖ по прототипу имеет недостаточно высокую теплопроводность даже с магнитными частицами оксида железа и хрома, а значит и недостаточную эффективность при использовании в теплообменных процессах холодильных и кондиционерных систем.
2
3
2
- МРЖ по прототипу обладает недостаточно высокими магнитными свойствами для реализации способа оперативного и эффективного управления потоком жидкости в системе тепло и хладоснабжения с помощью постоянного магнитного поля из-за недостаточно высокого уровня намагниченности металлической основы и ее остаточного магнетизма после снятия воздействия постоянного магнитного поля. Начальная магнитная проницаемость основы - частичек, оксида железа FeO; имеет значение около 1000 единиц, а CrO около 1500 единиц. [8-10].
Задачей нового технического решения по составу теплоносителя и способу его применения является повышение эффективности теплопередачи и управления гидродинамическим сопротивлением потока теплоносителя путем повышения теплопроводности и объемного расхода теплоносителя за счет реализации способа его обработки постоянным магнитным полем.
Поставленная задача решается благодаря тому, что предлагаемый новый отечественный магнитореологический теплоноситель (МРТ) представляет собой водный раствор, например, на основе полиэтилсилоксана или спиртов органических с равномерно распределенными в нем диспергированными плоскими микрочастицами «магнитомягкого» карбонильного железа чешуйчатого вида, округлой или тупоугольной формы, размером не более 15 мкм каждой частицы в одной плоскости, при толщине не более 10% от большего линейного размера в плоскости, покрытыми ПАВ, или их металлоорганических соединений, а количество диспергированного компонента составляет 0,05-2,5 мас. %.
Способ использования данного теплоносителя заключается в регулировании его гидродинамического сопротивления и направленности в потоке, а также теплопроводности путем применения воздействия на МРТ постоянным магнитным полем напряженностью от 2 до 700 Эрстед.
Следует отметить, что наиболее эффективно МРЖ по прототипу и новый МРТ, как и способ его применения реализуются в теплообменниках из немагнитных материалов (алюминий, медь, нержавеющая сталь и др.).
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемых объектов: теплоносителя и способа его применения с техническим результатом показана ниже в таблицах и пояснениях.
Преимущества нового МРТ в сравнении с прототипом:
- новый магнитореологический теплоноситель не проявляет выраженных коррозионно-абразивных свойств в процессе эксплуатации в потоке МРЖ в холодильных и кондиционерных системах, т.к. основой диспергированных и покрытых ПАВ частиц являются «магнитомягкие», плоские, округлые или тупоугольные частицы карбонильного железа с меньшей жесткостью и абразивностью по сравнению с прототипом;
- по этим же соображениям он лишен выраженного свойства усиления кавитационного воздействия на насосную группу прокачки в системе тепло и хладоснабжения, более того, он помогает демпфировать кавитационный эффект и эффекты микрогидравлического удара в системе.
Эти особенности позволяют новому магнитореологическому теплоносителю дольше, чем у прототипа сохранять теплофизические свойства, ибо он меньше «изнашивается» в покрытом ПАВ виде;
- магнитожесткие частицы оксидов металла, покрытые ПАВ по прототипу, имеют эллипсоидную либо шаровидную, форму и не меняют ее при реализации способа регулирования гидродинамического сопротивления и теплопроводности потока МРЖ. В итоге более высокая эффективность теплопередачи и управления потоком есть у нового МРТ против прототипа;
Существенным в способе применения нового теплоносителя является:
- указанные в прототипе материалы на основе оксида хрома и железа являются «магнитотвердыми», а карбонильное железо, в новом МРТ-«магнитомягкий» материал. В результате намагничивания МРЖ - прототипа, после снятия магнитного воздействия частицы оксидов имеют остаточную намагниченность, что повышает гидросопротивление жидкости, снижает объемный расход и теплопроводность из-за возможного образования конгломератов магнитных частиц. Новый МРТ принимает свои начальные свойства сразу после снятия магнитного воздействия, что позволяет использовать его для управления потоком и теплопроводностью;
2
3
2
- по механизму намагничивания оксиды железа и хрома обладают менее выраженными магнитными свойствами, чем у предлагаемых в качестве частиц металла карбонильного железа. Начальная магнитная проницаемость микрочастиц оксида железа FeO имеет значение около 1000 единиц и CrO около 1500 единиц, а для нового МРТ с микрочастицами карбонильного железа - это около 2500-3000 единиц [8-10].
Новое техническое решение позволяет проявить вышеуказанные преимущества МРТ и способа его применения по сравнению с прототипом. Преимущества нового магнитореологического теплоносителя - МРТ с диспергированными частицами карбонильного железа, покрытыми ПАВ и способа его применения по сравнению с прототипом, даны в виде примеров и таблиц ниже.
Эксперименты проводили в диапазоне температур от (-30°С) до (+10°С) на стендовой установке с использованием стандартных измерительных приборов. В таблицах даны усредненные данные по экспериментам в диапазоне рабочих температур от (-5°С) до (+5°С), комфортных для организации технологического кондиционирования и создания умеренного холода. За границами этого температурного диапазона наблюдаются аналогичные соотношения параметров по прототипу и новому МРТ как по составу, так и по способу применения.
Для создания равных условий применения брали МРЖ по прототипу и в новом исполнении МРТ с одинаковой концентрацией микрочастиц металлов (оксидов железа и хрома и карбонильного железа). Испытания проводили в равных температурных условиях окружающей среды и МРЖ - теплоносителя по прототипу и в новом исполнении. МРЖ по прототипу с микрочастицами металлов оксидов железа или хрома, а во втором случае - МРТ с микрочастицами карбонильного железа сравнивали на основе одинаковой жидкости - носителе полиэтилсилоксане с одинаковыми ее характеристиками.
Сравнение МРЖ по прототипу и в новом исполнении МРТ проводили по сопоставлению объемного расхода и теплопроводности потока в зависимости от типа микрочастиц - на основе оксида железа или хрома и карбонильного железа одинакового объемного размера с одинаковой их концентрацией в жидкости-носителе (полиэтилсилоксане).
Реализацию способа применения МРТ для регулирования объемного расхода и теплопроводности проводили путем воздействия на МРЖ и МРТ постоянным магнитным полем напряженностью от 1,0 до 800 Эрстед. Данные для оптимальной концентрации микрочастиц 0,70 мас. % сведены в таблицу 1 и представлены ниже.
Примеры конкретной реализации.
2
3
2
1. Брали МРЖ - прототип с микрочастицами оксида железа FeO или хрома CrO, покрытых ПАВ в жидкости-носителе (полиэтилсилоксан) и проводили замеры объемного расхода и теплопроводности при ее обработке постоянным магнитным полем напряженностью в 1,0; 2,0; 100; 250; 400; 700 и 800 Э.
Параллельно брали новый магнитореологический теплоноситель (МРТ) с микрочастицами карбонильного железа Fe чешуйчатого вида, покрытых ПАВ в жидкости (полиэтилсилоксан) и проводили замеры теплопроводности и объемного расхода при обработке постоянным магнитным полем напряженностью в 1,0; 2,0; 100; 250; 400; 700 и 800 Э.
Объемные размеры микрочастиц по прототипу и для нового МРТ одинаковые с одинаковой концентрацией в полиэтилсилоксане.
Из таблицы 1 видно, что наблюдается заметный рост объемного расхода и теплопроводности при обработке МРЖ и МРТ постоянным магнитным полем в диапазоне от 2,0 до 700 Э с максимумом при 250 Э, причем, значение измеряемых параметров для нового МРТ заметно выше, чем для МРЖ по прототипу. За пределами этого диапазона обработки постоянным магнитным полем напряженностью менее 2,0 Э, например, 1,0 Э и более 700 Э, например, 800 Э значение измеряемых величин у МРЖ-прототипа и нового МРТ низкое и разница между ними несущественна.
В итоге, установлено значительное преимущество по объемному расходу и теплопроводности нового МРТ с микрочастицами карбонильного железа по сравнению с МРЖ с микрочастицами оксида железа или хрома при реализации способа использования МРТ путем обработки постоянным магнитным полем с напряженностью в диапазоне от 2,0 до 700 Э.
Лучшие характеристики МРТ объясняются как высокими показателями микрочастиц карбонильного железа по их магнитным свойствам, так и по оптимальной величине и геометрической форме. Последнее установлено эмпирически в процессе многочисленных экспериментов по подбору оптимальной формы и размера микрочастиц карбонильного железа в МРТ.
Данные экспериментов сведены в таблицу 2 и представлены ниже. Подробные данные представлены для оптимальной величины микрочастиц карбонильного железа. Данные за пределами оптимума не включены в таблицу из-за их большого объема, что приводит к перегрузке таблиц.
Из данных таблицы 2 видно, что заметная эффективность нового МРТ по объемному расходу и теплопроводности наблюдается при реализации способа применения путем обработки МРТ с микрочастицами карбонильного железа линейного размера в одной плоскости не более 15 мкм. при толщине не более 10% от большего линейного размера частицы постоянным магнитным полем в диапазоне от 2 до 700 Э, причем, максимум эффективности наблюдается при обработке магнитным полем величиной 250 Э. За пределами диапазона обработки постоянным магнитным полем напряженностью менее 2,0 Э, например, 1,0 Э и более 700 Э, например, 800 Э значение измеряемых величин объемного расхода и теплопроводности в зависимости от размера микрочастиц низкое и разница между ними несущественна.
Для выяснения оптимального диапазона концентрации микрочастиц карбонильного железа выявленного оптимального размера (не более 15 мкм в одной плоскости при толщине не более 10 процентов от большего линейного размера в плоскости) в жидкости-носителе были проведены эксперименты, в результате которых установлен лучший диапазон концентрации от 0,05 до 2,5 мас. %. Это подтверждено в способе применения путем обработки нового МРТ постоянным магнитным полем напряженностью от 2 до 700 Э по объемному расходу и теплопроводности МРТ. Данные сведены в таблицу 3 и представлены ниже. Максимум объемного расхода и теплопроводности МРТ установлен при концентрации микрочастиц карбонильного железа в 0,7 мас. % при напряженности постоянного магнитного поля 250 Э.
За пределами этого диапазона, например, концентрации микрочастиц 0,03 мас. % или 3,0 мас. % и обработки МРТ постоянным магнитным полем 1,0 или 800Э наблюдается низкое значение измеряемых величин (объемного расхода и теплопроводности МРТ) и разница между ними несущественна.
Примеры реализации состава МРТ по концентрации микрочастиц карбонильного железа и способа его применения путем обработки постоянным магнитным полем для достижения поставленной цели изобретения - повышение эффективности теплопередачи и управления гидродинамическим сопротивлением потока теплоносителя за счет увеличения объемного расхода и теплопроводности МРТ.
Брали новый теплоноситель (МРТ) с 0,03 мас. % плоских микрочастиц карбонильного железа Fe, размером не более 15 мкм, в одной плоскости при толщине не более 10% от большего линейного размера частиц в плоскости, покрытых ПАВ, в жидкости - полиэтилсилоксан и проводили замеры объемного расхода и теплопроводности при обработке МРТ постоянным магнитным полем напряженностью 1,0; 2,0; 100; 250;400; 700 и 800 Э.
Аналогичным образом брали новый теплоноситель (МРТ) с концентрацией 0,05,0,10; 0,70; 1,50; 2,50 и 3,0 мас. % плоских микрочастиц карбонильного железа Fe, размером не более 15 мкм, в одной плоскости при толщине не более 10% от большего линейного размера частиц в плоскости, покрытых ПАВ, в жидкости - полиэтилсилоксан и проводили замеры расхода и теплопроводности при обработке МРТ с концентрацией микрочастиц карбонильного железа, указанной выше, постоянным магнитным полем напряженностью 1,0; 2,0; 100; 250; 400; 700 и 800 Э.
Отсутствие роста объемного расхода и теплопроводности за нижним пределом заявленных параметров объясняется недостаточной концентрацией магнитных частиц, в новом магнитореологическом теплоносителе. Снижение объемного расхода и теплопроводности за верхним пределом заявленных параметров по концентрации частиц и по напряженности магнитного поля объясняется образованием конгломератов магнитных частиц, что затрудняет их регулировку по расходу и по теплопроводности.
Более высокие значения по объемному расходу и теплопроводности в пользу нового МРТ в заявленном диапазоне концентраций микрочастиц карбонильного железа при обработке постоянным магнитным полем в заявленных пределах его напряженности, обусловлена лучшими (по сравнению с запредельными параметрами концентрации и режимов обработки) магнитными свойствами микрочастиц карбонильного железа, покрытых ПАВ, большей их теплопроводностью и соответственно, лучшей управляемостью ими (регулировкой пространственного положения) в потоке теплоносителя при реализации способа применения с помощью обработки постоянным магнитным полем, а также повышенной эффективностью теплопередачи.
Положительную роль играет и более высокая скорость скольжения и лучшая теплопроводность в потоке МРТ на границе плоскости частиц - поток теплоносителя - стенка теплообменника. Плоские микрочастицы карбонильного железа заявленной формы и величины в заявленном диапазоне концентраций и режимов обработки МРТ постоянным магнитным полем при воздействии постоянного магнитного поля выстраиваются упорядоченно в горизонтальной плоскости по направлению потока, что улучшает его расходные и теплопроводные характеристики.
Основная цель разработки - получение и использование нового более эффективного магнитореологического теплоносителя и способа его применения для систем тепло и хладоснабжения, с возможностью регулирования и управления его потоком и величиной теплопроводности, выявляется и достигается путем выбора микрочастиц карбонильного железа вместо микрочастиц оксида железа или хрома, причем микрочастицы карбонильного железа подбираются определенной формы (чешуйчатого вида) и размера с выбранной их оптимальной концентрацией в МРТ.
Способ применения осуществляется путем обработки МРТ постоянным магнитным полем в установленном оптимальном диапазоне.
Таким образом, предложен новый инновационный теплоноситель магнитореологический, состоящий из жидкости, выбранной из ряда одноатомных спиртов, многоатомных спиртов, кремнийорганических жидкостей, воды и др., а также и смесей этих жидкостей, включающей диспергированный компонент из металла, покрытый поверхностно активным веществом, а также способ его использования.
Отличием нового магнитореологического теплоносителя и способа его применения от известных решений является то, что с целью повышения эффективности теплопередачи, а также регулирования и управления его гидродинамическим сопротивлением, например, по объемному расходу за счет ориентации частиц диспергированного компонента, покрытых ПАВ, путем воздействия на МРТ постоянным магнитным полем, в МРТ в качестве диспергированного компонента используют частицы карбонильного железа, размером не более 15 мкм в одной плоскости при толщине не более 10% от большего линейного размера частиц в плоскости, в количестве 0,05-2,5 масс. %.
Осуществление способа применения МРТ с целью регулировки теплопроводности и расхода и направленности теплоносителя в потоке, производят путем воздействия на магнитореологический теплоноситель постоянным магнитным полем напряженностью от 2 до 700 Эрстед.
Источники информации
1. Патент RU 2291889.
2. Патент RU 2326921.
3. Патент RU 2265039.
4. Байбуртский Ф.С. «Магнитные жидкости: способы получения и области применения», институт биохимфизики им. Эммануэля Н.М., Москва, 2002.
5. Патент RU 2307856.
6. Патент RU 2422932.
7. Базиненков A.M. и др. Исследования свойств магнитореологических жидкостей и их использования в устройствах перемещения и виброизоляции. Электронный журнал МГТУ им Н.Э. Баумана, №9, 2012.
2
3
8. Википедия. Маггемит гамма FeO.
9. Хрома оксиды химические и физические свойства. Справочник // Интернет ресурс: http://chemhelper.ru.
10. Лютоев Α.Α., Смирнов Ю.Г. Разработка технологической схемы очистки сточных вод от нефтяных загрязнений с использованием магнитных наночастиц. Нефтегазовое дело: электронный научный журнал, №4. 2013.