СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ-ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
METHOD FOR PROCESSING MAGNETOREOLOGICAL LIQUID-HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплообмена и теплообменной техники, а именно к способам обработки теплоносителя (хладоносителя) для использования в холодильных установках и системах, а также в системах кондиционирования, обогрева и создания комфортной среды в зданиях.
Известен жидкий теплоноситель (Патент RU 2265039), содержащий наночастицы и карбоксилаты, в котором для улучшения его теплопроводности используют наночастицы алюминия или оксида алюминия покрытые карбоксилатной пленкой.
Данный теплоноситель обладает улучшенными теплофизическими свойствами по сравнению с теплоносителями без наночастиц. 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 [1], а также (Патенты RU 2307856 и 2422932) Эти МЖ, в сочетании с воздействием на них постоянным магнитным полем, применяются в измерительной технике и 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. Они не используются в системах тепло-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. Потоки подобных теплоносителей в системе хладоснабжения или отопления по способу применения регулируются и управляются за счет традиционных элементов механической или электромеханической арматуры.
Известен способ обработки жидкости (водной среды) с помощью электоромагнитно-акустического воздействия на нее модулированным или немодулированным переменным магнитным полем, пересекающимся под различными углами в толще среды (Патент RU №2476804). Подобная обработка помогает улучшить свойства среды путем ее очистки от примесей. Однако способ сложен в реализации, не обладает высокими показателями повышения теплопроводности магнитной жидкости (МЖ) и не позволяет управлять потоком и ее теплопроводностью в теплообменных системах, так как сопровождается созданием локальных зон повышенной концентрации примесей и конгломератов коллоидов в растворе, что приводит к неуправляемой турбулентности потока МЖ и его теплопроводности.
Известны также способы обработки МРЖ вращающимся переменным магнитным полем, вызывающим искусственное вращение микрочастиц МРЖ, сопровождаемое турбулентностью в зоне каждой частицы, что приводит к термомагнитной конвекции и изменению теплофизических свойств МРЖ [2, 3]. Способ сложен в реализации, в особенности, в части создания, поддержания и контроля режимов обработки во вращающемся магнитном поле. Он рекомендуется для использования в отношении наночастиц МЖ каплевидного типа, что недостаточно эффективно в режиме управляемого расхода и теплопроводности рабочей МРЖ.
2
2
3
Известна магнитореологическая жидкость (МРЖ), например, суспензия на основе полиэтилсилоксановой жидкости с микрочастицами оксида хрома CrO или железа FeO, покрытыми ПАВ. МРЖ обладает магнитными свойствами при воздействии на нее постоянного магнитного поля и используется для регулирования динамической вязкости и управления перетеканием жидкости в ограниченных объемах устройств перемещения [4]. Данное техническое решение принято нами за прототип.
В то же время, ее применение в качестве потока циркулирующего теплоносителя в теплообменном оборудовании холодильных и кондиционерных систем неэффективно и нецелесообразно так как:
- подобная МРЖ, снабженная твердотельными частицами металла оксида хрома или железа остроугольной и игольчатой формы и структуры, при работе в циркулирующем потоке становится источником коррозионно-абразивного воздействия на материалы холодильного оборудования, а также причиной усиления кавитационного воздействия с нарушением целостности каналов подачи жидкости в устройствах перекачки МРЖ;
-данная МРЖ 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
- эта МРЖ обладает недостаточно высокими магнитными свойствами для 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 частичек, оксида железа FeO имеет значение около 1000 единиц, для CrO около 1500 единиц, а, например, для микрочастичек карбонильного железа она составляет 2500-3000 единиц [5-7].
Предлагаемый новый способ обработки магнитореологического теплоносителя (МРТ), позволяющий решить техническую задачу увеличения его теплопроводности и повышения эффективности теплопередачи (МРТ), заключается в воздействии на МРТ постоянным магнитным полем напряженностью от 2 до 700 Эрстед, с дополнительной обработкой его переменным магнитным полем напряженностью от 0,2 до 40 Э при частоте от 0,2 до 50 Гц в диапазоне воздействия постоянным магнитным полем от 2 до 60 Э и переменным магнитным полем напряженностью от 20 до 800 Э при частоте от 30 до 120 Гц в диапазоне воздействия постоянным магнитным полем от 20 до 700 Э. В качестве магнитного наполнителя жидкости носителя полиэтилсилоксана используются микрочастицы карбонильного железа покрытые ПАВ с концентрацией частиц от 0,05 до 2,5 масс. %.
2
Микрочастицы магнитореологического теплоностеля (МРТ) были покрыты ПАВ на основе кобаламинов или цинковым комплексом фосфоновой кислоты NaZnОЭДФ, или составами на основе кремнийорганических солей - боратов или силиката кальция.
Данный способ позволяет улучшить расходные характеристики потока магнитореологической жидкости - теплоносителя (МРТ) и увеличить его теплопроводность для решения задачи повышения эффективности теплообмена при тепло и хладоснабжении устройств и объектов. Воздействие на теплоноситель переменным магнитным полем в указанных диапазонах одновременно с его обработкой постоянным магнитным полем является существенным отличием нового способа от известного прототипа.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом изложена и прослеживается в примерах реализации нового способа обработки МРТ по сравнению с прототипом. Кроме того, результаты экспериментов сведены воедино и в обобщенном табличном виде представлены ниже.
Эксперименты по реализации способов (прототипа и нового технического решения) проводили при температурах от -30°C до +10°C на стендовой установке с использованием стандартных измерительных приборов. В таблицах обобщены и приведены усредненные данные по экспериментам в диапазоне рабочих температур от -5°C до+5°C, комфортных для организации технологического кондиционирования и создания умеренного холода. За границами этого температурного диапазона наблюдаются аналогичные соотношения параметров реализации способов по прототипу и по новому техническому решению. Испытания способов обработки МРТ по прототипу и по новому способу проводили в равных температурных условиях окружающей среды и МРТ-теплоносителя.
Кроме того, реализацию способа по прототипу и по новому решению в обоих случаях проводили путем обработки МРТ на основе жидкости-носителя (полиэтилсилоксан) с одинаковыми ее теплофизическими характеристиками. В качестве мелкодисперсного компонента из магнитного материала в МРТ по новому способу использовали микрочастицы карбонильного железа при концентрации дисперсного компонента в теплоносителе от 0,05 до 2,5 масс. %.
Сравнение способов обработки МРТ по прототипу и в новом режиме воздействия дополнительно переменным магнитным полем проводили по сопоставлению теплопроводности при равном расходе МРТ и при одинаковом типе и концентрации магнитных частиц в МРТ в зависимости от различных режимов обработки постоянным магнитным полем в диапазоне от 1 до 800 Э по прототипу и совместным воздействием постоянного магнитного поля в общем диапазоне от 1 до 800 Э и переменного магнитного поля в общем диапазоне от 0,1 до 900 Э при частоте в общем диапазоне от 0,1 до 130 Гц.
Наиболее эффективно способы обработки МРТ по прототипу и по новому способу реализуются в теплообменном оборудовании из немагнитных материалов (алюминий, медь, нержавеющая сталь и др.).
Примеры реализации нового способа обработки МРТ в сравнении с прототипом для нижней границы значений параметров обработки.
2
2
3
Пример 1. Брали МРТ по прототипу, на основе жидкости-носителя (полиэтилсилоксан), где в качестве мелкодисперсного компонента из магнитного материала использовали микрочастицы оксида хрома CrO или железа FeO, покрытые ПАВ. Подобную МРТ по прототипу при одинаковом ее расходе с новым способом обрабатывали постоянным магнитным полем напряженности 1 Э.
Одновременно с этим брали МРТ, где в качестве мелкодисперсного компонента из магнитного материала использовали микрочастицы карбонильного железа и проводили совместное воздействие постоянным магнитным полем напряженностью 1 Э и переменным магнитным полем напряженностью 0,1 Э при частоте 0,1 Гц и замеряли теплопроводность МРТ в обоих случаях. Обобщенные данные экспериментов сводили в прилагаемую таблицу №1.
Пример 2. Брали МРТ по прототипу (см. Пример 1) и при одинаковом ее расходе с новым способом обрабатывали постоянным магнитным полем напряженности 2 Э по прототипу и по новому способу совместным воздействием постоянного магнитного поля напряженностью 2 Э и переменного магнитного поля напряженностью 0,2 Э при частоте 0,2 Гц и замеряли теплопроводность МРТ в обоих случаях. Экспериментальные данные фиксировали в указанной ранее общей таблице.
Подобные эксперименты по обработке МРТ проводили при напряженности постоянного магнитного поля в диапазоне от 1 до 800 Э по прототипу и совместным воздействием постоянного магнитного поля в общем диапазоне от 1 до 800 Э и переменного магнитного поля в общем диапазоне от 0,1 до 900 Э при частоте в общем диапазоне от 0,1 до 130 Гц.
Следует отметить, что в процессе экспериментов установлена закономерность наложения двух рабочих зон режимов обработки МРТ по новому способу. Она характерна для диапазона обработки МРТ переменным магнитным полем напряженностью от 20 до 40 Э при частоте от от 30 до 50 Гц. в зоне одновременной обработки постоянным магнитным полем напряженностью от 20 до 60 Э. В этом случае зона нарастания от 0,38 Вт/м⋅K до максимума 0,42 Вт/м⋅K и уменьшения до 0,37 Вт/м⋅K теплопроводности при обработке МРТ переменным магнитным полем от 20 до 40 Э и частоте от 30 до 50 Гц перекрывает зону роста значений теплопроводности от 0,36 до 0,39 Вт/м. К для рекомендуемого диапазона режимов обработки переменным магнитным полем напряженностью от 20 до 800 Э при частоте от 30 до 120 Гц в диапазоне одновременного воздействия постоянным магнитным полем напряженностью от 20 до 700 Э. Данное обстоятельство отражено в таблице.
Возможно регулирование параметров воздействия постоянным и переменным магнитным полем в пределах заявленных величин напряженности поля и частоты независимо друг от друга в зависимости от конкретной решаемой задачи.
Таким образом, экспериментально установлено, что в диапазоне заявленных режимов обработки зависимость теплопроводности от конкретных значений параметров обработки имеет два максимума величиной в 0,42 и 0,49 Вт/м⋅K, что отражено в сводной таблице результатов экспериментальных исследований.
Примеры реализации нового способа обработки МРЖ в сравнении с прототипом для верхней границы значений параметров обработки.
Пример 3. Брали МРТ по прототипу (см. Пример 1). Подобную МРТ при одинаковом ее расходе обрабатывали постоянным магнитным полем напряженности 700 Э по прототипу и совместным воздействием постоянного магнитного поля напряженностью 700 Э и переменного магнитного поля напряженностью 800 Э при частоте 120 Гц и замеряли теплопроводность МРТ в обоих случаях. Экспериментальные данные сведены в общую таблицу №1.
Пример 4. Брали МРТ по прототипу (см. Пример 1) и при одинаковом ее расходе обрабатывали постоянным магнитным полем напряженности 800 Э по прототипу и совместным воздействием постоянного магнитного поля напряженностью 800 Э и переменного магнитного поля напряженностью 900 Э при частоте 130 Гц и замеряли теплопроводность МРТ в обоих случаях. Экспериментальные данные вносили в указанную ранее общую таблицу.
Аналогичные эксперименты в аналогичных условиях сравнения прототипа с новым предложением проводили и для теплоносителя на основе октан-1-ола ( таблица 2), водного раствора многоатомного спирта - пропиленгликоля ( таблица 3), а также водного теплоносителя ( таблица 4).
В результате многочисленных экспериментов (эмпирически) установлено, что пограничными значениями параметров обработки по новому способу, при которых величины теплопроводности МРТ близки, но лучше результатов, чем по способу-прототипу являются: минимальная граница параметров: - напряженность постоянного магнитного поля 2,0 Э при напряженности переменного магнитного поля 0,2 Э и частоте переменного магнитного поля 0,2 Гц; максимальная граница параметров: - напряженность постоянного магнитного поля 700 Э при напряженности переменного магнитного поля 800 Э и частоте переменного магнитного поля 120 Гц.
При уменьшении значений параметров обработки ниже указанных, величины теплопроводностей по прототипу и по новому способу совпадают либо отличаются несущественно. Аналогично с этим, при увеличении значений параметров обработки выше указанных, величины теплопроводностей по прототипу и по новому способу совпадают либо отличаются несущественно.
Снижение эффекта роста теплопроводности МРТ в нижнем пределе режимов обработки до уровня прототипа объясняется незначительным влиянием обработки МРТ по новому способу на характер ламинарного течения жидкого МРТ и как следствие, отсутствие роста теплопроводности.
Увеличение параметров режимов обработки МРТ переменным магнитным полем приводит к трансформации ламинарного течения МРТ в турбулентное. Иллюстрации по взаимодействию ламинарного и турбулентного течения жидкости стелами различной формы достаточно полно представлены в [8]. За счет колебательного процесса частиц карбонильного железа, содержащихся в МРТ вследствие обработки магнитным полем увеличивается теплообмен и соответственно теплопроводность МРТ в системе охлаждения или климатизации объектов. Превышение режимов обработки выше установленной экспериментально границы приводит к торможению управляемого процесса роста теплопроводности МРТ, в частности, из-за инерции колебательных процессов магниточувствительных частиц карбонильного железа, содержащихся в МРТ.
Эмпирически установлено, что максимальное значение теплопроводности при совместной обработке МРТ постоянным магнитным полем в диапазоне напряженностей от 2 до 60 Э и переменным магнитным полем напряженности от 0,2 до 40 Э при частоте от 0,2 до 50 Гц достигается при напряженности постоянного магнитного поля 40 Э и напряженности переменного магнитного поля 30 Э при частоте 40 Гц.
Максимальное значение теплопроводности при совместной обработке МРТ постоянным магнитным полем в диапазоне напряженностей от 20 до 700 Э и переменным магнитным полем напряженности от 20 до 800 Э при частоте от 30 до 120 Гц достигается при напряженности постоянного магнитного поля 450 Э и напряженности переменного магнитного поля 400 Э при частоте 90 Гц.
Таким образом, оптимальным для нового способа обработки МРТ является совместная обработка теплоносителя постоянным магнитным полем в диапазоне напряженности постоянного магнитного поля от 2,0 до 700 Э с одновременным воздействием переменным магнитным полем напряженностью от 0,2 до 40 Э при частоте от 0,2 до 50 Гц для диапазона воздействия постоянным магнитным полем от 2 до 60 Э и переменным магнитным полем напряженностью от 20 до 800 Э при частоте от 30 до 120 Гц для диапазона воздействия постоянным магнитным полем от 20 до 700 Э.
Новое техническое решение обработки МРТ постоянным магнитным полем с напряженностью в диапазоне от 2 до 60 Э с одновременным воздействием на МРТ переменным магнитным полем напряженностью от 0,2 до 40 Э при частоте от 0,2 до 50 Гц целесообразно использовать для теплообмена в маломощных устройствах и установках. Например, для терморегуляции и охлаждения маломощных лазеров, устройств перемещения и робототехники, в военной технике и др. В то же время новое техническое решение обработки МРТ постоянным магнитным полем с напряженностью в диапазоне от 20 до 700 Э с одновременным воздействием на МРТ переменным магнитным полем напряженностью от 20 до 800 Э при частоте от 30 до 120 Гц наиболее эффективно реализуется в промышленных установках и системах повышенной и высокой мощности.
Следует отметить, что закономерность, характеризующая лучшие показатели реализации существенных признаков нового технического решения проявляется и для других видов теплоносителей, например, водных растворов на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, теплофизические характеристики которых лучше, чем у полиэтилсилоксана.
Источники информации
1. Байбуртский Ф.С.«Магнитные жидкости: способы получения и области применения», институт биохимфизики им. Эммануэля Н.М., Москва, 2002.
2. Беляев А.В., Смородин Б.Л. Конвекция магнитной жидкости под действием переменного магнитного поля. // Прикладная механика и техническая физика. Т. 50. №4, 2009.
3. Лебедев А.В. Динамика магнитной жидкости в переменных полях. // Автореферат диссертации на соискание д.т.н. Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН, г. Пермь, 2005.
4. 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
5. Википедия. Маггемит гамма FeO.
6. Хрома оксиды химические и физические свойства. Справочник // Интернет ресурс: http://chemhelper.ru.
7. Лютоев А.А., Смирнов Ю.Г. Разработка технологической схемы очистки сточных вод от нефтяных загрязнений с использованием магнитных наночастиц. Нефтегазовое дело: электронный научный журнал №4, 2013.
8. Альбом течений жидкости и газа // М. Ван-Дайк. - М.: Мир, 1986. - 184 с.