Способ обработки магнитореологической жидкости-теплоносителя

Изобретение относится к области теплообменной техники, а именно к способу обработки магнитореологической жидкости-теплоносителя для холодильных и кондиционерных систем. Магнитореологический теплоноситель включает микрочастицы карбонильного железа, поверхность которых обработана поверхностно активным веществом, и жидкость, выбранную из ряда одноатомных и многоатомных спиртов, воды, их смесей и кремнийорганических жидкостей. Указанный теплоноситель подвергают совместному воздействию постоянным магнитным полем напряженностью от 2 до 700 Э и 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. Изобретение обеспечивает повышение эффективности теплопередачи путем регулирования теплопроводности теплоносителя. 1 ил., 4 табл., 4 пр.

 

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.

Известна магнитореологическая жидкость (МРЖ), например, суспензия на основе полиэтилсилоксановой жидкости с микрочастицами оксида хрома CrO₂ или железа Fe₂O₃, 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;

- 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 Fe₂O₃ имеет значение около 1000 единиц, для CrO₂ 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. %.

Микрочастицы магнитореологического теплоностеля (МРТ) были покрыты ПАВ на основе кобаламинов или цинковым комплексом фосфоновой кислоты Na₂ZnОЭДФ, 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.

Пример 1. Брали МРТ по прототипу, на основе жидкости-носителя (полиэтилсилоксан), где в качестве мелкодисперсного компонента из магнитного материала использовали микрочастицы оксида хрома CrO₂ или железа Fe₂O₃, 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.

5. Википедия. Маггемит гамма Fe₂O₃.

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.

Способ обработки магнитореологической жидкости-теплоносителя для холодильных и кондиционерных систем, состоящей из жидкости, выбранной из ряда одноатомных и многоатомных спиртов, воды, а также их смесей, кремнийорганических жидкостей, содержащей микрочастицы из карбонильного железа, поверхность которых обработана поверхностно активным веществом с воздействием на теплоноситель постоянным магнитным полем, отличающийся тем, что совместно с обработкой теплоносителя постоянным магнитным полем напряженностью от 2 до 700 Э на магнитореологический теплоноситель воздействуют 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.