Магнитострикционный теплоноситель

Изобретение относится к магнитореологическим теплоносителям для теплообменных холодильных и кондиционерных установок и систем. Магнитореологический теплоноситель состоит из жидкости, выбранной из спиртов, многоатомных спиртов, воды, их смесей, полиэтилсилоксанов, и микрочастиц интерметаллического магнитострикционного сплава тербия, диспрозия и железа состава: Tb(0,30-0,44) Dy(0,15-0,30) Fe(0,30-0,50) концентрации 0,1-1,6 мас. %. Указанные микрочастицы изготовлены в виде чешуек размером от 5 до 64 мкм по длине и от 3 до 20 мкм по толщине. Изобретение обеспечивает повышение теплопроводности теплоносителя при интенсификации процесса теплообмена. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области теплообмена и теплообменной техники, а именно к теплоносителям (хладоносителям) для холодильных установок и систем, а также для систем кондиционирования, обогрева и создания комфортной среды в зданиях и сооружениях.

Известны магнитореологические жидкости (МРЖ) на основе дисперсной магнитной фазы микрочастиц, например карбонильного железа, покрытых поверхностно активным веществом(ПАВ) в состоянии коллоидного раствора [1-2].

По патенту RU 2414764 [1] МРЖ имеет узко ограниченное применение в устройствах с высокими значениями напряжения сдвига и низкими скоростями перетока, например, в амортизаторах, сцеплениях, тормозах и управляющих механизмах и не подходит для регулирования потока теплоносителя и его теплопроводности в системах хладоснабжения, кондиционирования или отопления при существенных расходах и скоростях циркуляции в контуре теплоносителя.

По патенту RU 2624113 [2] (прототип) известен магнитореологический теплоноситель (МРТ) для холодильных и кондиционерных систем, состоящий из жидкости, выбранной из ряда спиртов, многоатомных спиртов, кремнийорганических веществ, содержащей мелкодисперсный компонент из магнитного материала, поверхность которого обработана поверхностно-активным веществом (ПАВ), где мелкодисперсный компонент из магнитного материала представляет собой микрочастицы карбонильного железа с размером каждой микрочастицы в одной плоскости не более 15 мкм при толщине не более 10% от линейного размера в плоскости, причем количество мелкодисперсного компонента в теплоносителе составляет от 0,05 до 2,5 мас. %.

Известный МРТ до некоторой степени улучшает расходную характеристику потока теплоносителя и повышает его теплопроводность, в особенности, при наличии магнитного поля, причем оптимальным является одновременное воздействие постоянного и переменного магнитных полей, например, по патенту РФ №2644900 [3].

Однако результат реализации известного технического решения по МРТ невелик в случае совокупного использования магнитострикционного эффекта с известным составом МРЖ. Коэффициент магнитострикции для карбонильного железа весьма низок и близок к 1,5×10-6. В этой связи известный состав МРТ имеет ограниченное применение.

Известный МРТ не позволяет достичь повышенных значений теплопроводности магнитореологического теплоносителя в системах охлаждения и кондиционирования объектов различного назначения.

Указанных недостатков лишен предлагаемый новый теплоноситель магнитореологический с магнитострикционными свойствами -магнитострикционный теплоноситель (МСТ).

Согласно источникам [4 и 5], известно, что замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности воздействия постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано для генерации электромеханических колебаний с использованием эффекта магнитострикции.

Известное техническое решение касается замороженной или полимелизованной жидкости с магниточувствительными частицами, что неприемлемо для потоков теплоносителя в контурах холодильных установок и систем, а также систем кондиционирования, обогрева и создания комфортной среды в зданиях и сооружениях.

В новом техническом решении авторами предложен жидкий магнитореологический теплоноситель с магнитострикционными свойствами - магнитострикционный теплоноситель (МСТ), содержащий микрочастицы материала, обладающего большой магнитострикцией до 1,0×10-3 для использования в теплотехнике холодильных и кондиционерных систем и схем тепло - хладоснабжения объектов и сооружений и др.

Следует отметить, что магнитострикционный эффект заключается в изменении размеров ферромагнитных тел под действием магнитного поля. Это справедливо и для магнитострикционных микрочастиц или группы микрочастиц, в особенности с размерами не менее размеров магнитных доменов. На практике обычно используют линейную магнитострикцию, связанную с изменением линейного размера магнитострикционного материала с частотой колебаний прилагаемого переменного магнитного поля.

При одновременном приложении постоянного смещающего поля и переменного возбуждающего магнитного поля результирующее поле меняется в некоторых пределах, от максимального до минимального значения не меняя направления. Результирующая деформация -источник электромеханических колебаний, пульсирует около некоторого среднего значения с частотой, равной частоте возбуждающего магнитного поля. При этом частота деформации магнитострикционного элемента соответствует частоте прилагаемого переменного магнитного поля, а амплитуда деформации увеличивается. Электромеханические магнитострикционные колебания лежат в пределах до 100 КГц [6].

Уникальные магнитные свойства и способности обладать большой магнитострикцией характерны для некоторых видов редкоземельных металлов и их сплавов, например: Tb и Dy; TbFe2 и DyFe2.

Для разработки нового магнитострикционного теплоносителя авторы изобретения эмпирическим образом подобрали интерметаллический сплав на основе тербия, диспрозия и железа. Микрочастицы сплава были использованы в качестве магнитострикционного наполнителя в новом теплоносителе для организации эффективного теплообмена в холодильных и кондиционерных системах. Выбор обоснован доступностью материала по технологии изготовления, по техническим параметрам, величине его магнитострикции и по стоимости.

Иные материалы и сплавы, из упомянутых ранее, близки по показателям магнитострикции к выбранному сплаву, но сложны и дороги в получении и изготовлении, обладают заметной хрупкостью и при эксплуатации в частотном режиме расширение - возвратное сжатие подвержены частичному растрескиванию и разрушению структуры, вследствие чего, они ограничены в применении.

Эффект большой магнитострикции у некоторых металлов и их сплавов обусловлен особенностями строения атомов этих элементов, имеющих не полностью заполненные электронами оболочки d и f и обладающих соответственно большими значениями магнитных моментов. Причем для редкоземельных элементов, обладающих большим магнетизмом, характерны незаполненные f оболочки.

Эффект сильного магнетизма и способности к магнитострикции, у этих элементов по сравнению с любыми другими металлами увеличивается за счет упорядоченного размещения атомов в кристаллической решетке редкоземельного металла и наличия эффективного магнитного поля решетки.

Монокристаллы Tb и Dy имеют обычно гексогональную решетку, которая может трансформироваться в том числе и в сплавах с другими металлами в тригональную, но чаще в объемно центрированную кубическую решетку при этом происходит смешение структур решеток отдельных элементов. Переходы состояния решеток являются фазовыми переходами второго рода. Они сопровождаются в нашем случае появлением эффекта большой магнитострикции, которая в полной мере проявляется при приложении переменного магнитного поля.

Основной технической задачей изобретения была разработка нового магнитострикционного теплоносителя (МСТ) с увеличенной теплопроводностью, содержащего микрочастицы материала, обладающего большой магнитострикцией.

Поставленная цель достигалась путем создания смеси жидкости - теплоносителя выбранного из ряда спиртов, многоатомных спиртов, воды и их смесей, кремнийорганических веществ, содержащей микрочастицы мелкодисперсные из магнитного материала, поверхность которых обработана поверхностно-активным веществом, причем микрочастицы изготовлены из магнитострикционного материала - интерметаллического сплава тербия, диспрозия и железа в следующих массовых соотношениях, мас. % Tb (0,30-0,44) Dy (0,15-0,30) Fe (0,30-0,50) в виде чешуек размером от 5 до 64 мкм и толщиной от 3 до 20 мкм, с концентрацией их в теплоносителе от 0,1 до 1,6 мас. %.

Микрочастицы магнитореологического теплоностеля (МРТ) и магнитострикционного теплоносителя (МСТ) покрывали от их слипания в конгломерат ПАВ на основе кобаламинов или цинковым комплексом фосфоновой кислоты Nа2ZnОЭДФ, или составами на основе кремнийорганических солей силикатов кальция, а также боратов кальция.

Сравнение работоспособности теплоносителей и их технических характеристик (МРТ по прототипу и МСТ по новому решению) в обоих случаях проводили путем сопоставления теплопроводности при равном расходе МРТ и МСТ. Сравнение значений теплопроводности МРТ и МСТ проводили в точке тестирования с напряженностью постоянного магнитного поля 500 Э, переменного магнитного поля 450 Э при его частоте 95 Гц для всех заявленных видов жидкого теплоносителя. Эмпирически, в результате экспериментов установлено, что новый МСТ теплоноситель обладает лучшей теплопроводностью по сравнению с известным МРТ теплоносителем.

Источником улучшения теплопроводности нового МСТ по сравнению с известным МРТ является боле эффективное и быстрое преобразование ламинарного течения теплоносителя в турбулентное, в особенности, в пограничном слое теплоноситель - материал теплообменника в теплообменном оборудовании.

Как следствие, интенсифицируется процесс теплообмена и повышается значение теплопроводности. Колебания частиц карбонильного железа в МРТ носят выраженный механический характер, в то время как колебания частиц магнитострикционных в МСТ носят комбинированный характер - результат взаимодействия механических колебаний и магнитострикционных колебаний, связанных с линейной магнитострикцией, которые носят ударно-волновой характер. Все это позволяет повысить эффективность МСТ по сравнению с МРТ в части увеличения теплопроводности теплоносителя.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом по сравнению с прототипом изложена и прослеживается в примерах реализации нового МСТ теплоносителя, содержащего микрочастицы материала - интерметаллического сплава, обладающего большой магнитострикцией. Кроме того, результаты экспериментов сведены в таблицу и представлены ниже.

Многочисленные эксперименты по подбору состава нового теплоносителя (МСТ) и его тестированию по теплопроводности по сравнению с МРТ - прототипом проводили при температурах от-30° С до +10° С на стендовой установке с использованием стандартных измерительных приборов. В сводной таблице обобщены и приведены 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 реализации нового магнитострикционного теплоносителя (МСТ) в сравнении с МРТ-прототипом.

Сравнение МСТ и МРТ по теплопроводности проводили в равных температурных условиях окружающей среды и теплоносителя. МСТ по новому техническому решению и МРТ по прототипу формировали на основе жидкости-носителя выбранной из ряда спиртов, например, октанол, многоатомных спиртов, воды и их смесей, например водный раствор пропиленгликоля, кремнийорганических веществ, например, полиэтилсилоксана, с одинаковыми теплофизическими характеристиками жидкой основы для МРТ и МСТ.

В качестве мелкодисперсного компонента из магнитного материала в МСТ по новому техническому решению использовали микрочастицы магнитострикционного интерметаллического сплава тербия, диспрозия и железа в следующих массовых соотношениях компонентов, мас. % Tb (0,30-0,44) Dy (0,15-0,30) Fe (0,30-0,50), изготовленные в виде чешуек размером от 5 до 60 мкм при толщине от 3 до 20 мкм, с концентрацией их в теплоносителе от 0,1 до 1,6 мас. %.

Примеры реализации нового МСТ по сравнению с МРТ - прототипом для нижней, усредненной и верхней границ технических параметров теплоносителей.

Пример 1. Брали жидкий теплоноситель в виде полиэтилсилоксана с минимальным значением компонентов наполнителя магнитострикционных микрочастиц, покрытых ПАВ, мас. % Tb (0,30) Dy (0,15) Fe (0,30) интерметаллического сплава с размером чешуйчатых частиц 5 мкм при толщине 3 мкм с концентрацией их в теплоносителе 0,1 мас. %.

Параллельно брали аналогичный жидкий теплоноситель с минимальным значением компонентов наполнителя микрочастиц -карбонильного железа по прототипу, покрытых аналогичным ПАВ, с размером не более 15 мкм, например, 7 мкм в одной плоскости при толщине не более 10% от линейного размера, например, 0,7 мкм с концентрацией 0,05 мас. % и проводили замеры теплопроводности МРТ и МСТ теплоносителей в точке тестирования в одинаковых условиях эксперимента.

Пример 2. Брали жидкий теплоноситель в виде полиэтилсилоксана со средним значением компонентов наполнителя магнитострикционных микрочастиц, покрытых ПАВ, мас. % Tb (0,37) Dy (0,23) Fe (0,4) интерметаллического сплава с размером чешуйчатых частиц 32 мкм при толщине 12 мкм с концентрацией их в теплоносителе 1,0 мас. %.

Параллельно брали аналогичный жидкий теплоноситель со средним значением компонентов наполнителя микрочастиц - карбонильного железа, покрытых ПАВ по прототипу с размером не более 15 мкм, например, 10 мкм в одной плоскости при толщине не более 10% от линейного размера, например, 1,0 мкм с концентрацией 1,5 мас. % и проводили замеры теплопроводности МРТ и МСТ теплоносителей в точке тестирования в одинаковых условиях эксперимента.

Пример 3. Брали жидкий теплоноситель в виде полиэтилсилоксана с максимальным значением компонентов наполнителя магнитострикционных микрочастиц, покрытых ПАВ, мас. % Tb (0,44), Dy (0,30) и Fe (0,50) интерметаллического сплава с размером чешуйчатых частиц 64 мкм при толщине 20 мкм с концентрацией их в теплоносителе 1,6 мас. %.

Параллельно брали аналогичный жидкий теплоноситель с максимальным значением компонентов наполнителя микрочастиц-карбонильного железа, покрытых ПАВ, по прототипу с размером не более 15 мкм, например, 15 мкм в одной плоскости при толщине не более 10% от линейного размера, например, 1,5 мкм с концентрацией 2,5 мас. % и проводили замеры теплопроводности МРТ и МСТ теплоносителей в точке тестирования в одинаковых условиях эксперимента.

В качестве ПАВ брали цинковый комплекс фосфоновой кислоты.

Аналогично примерам 1-3 получены результаты экспериментов для теплоносителей на основе жидкости-носителя выбранной из ряда спиртов, например, октанол, многоатомных спиртов, воды и их смесей, например водный раствор пропиленгликоля и др. для МРТ и МСТ.

Все данные по теплопроводности представлены в сводной таблице.

Видно, что значения теплопроводности МСТ превышают аналогичные технические характеристики для МРТ в диапазоне заявленных параметров нового теплоносителя.

Снижение технических характеристик-параметров МСТ по компонентному составу магнитострикционных микрочастиц ниже заявленных: в интерметаллическом сплаве, например, в мас. % Tb (0,27) Dy (0,12) Fe (0,27), размера микрочастиц 4 мкм, при толщине 2,8 мкм, и их концентрации в жидком носителе 0,05 мас. % приводит к уменьшению значений теплопроводности до уровня прототипа.

Объясняется это падением магнитострикционной составляющей в колебаниях микрочастиц в МСТ при дроблении их слоя до размеров менее магнитного домена, что приводит к сближению значений теплопроводности к МРТ с микрочастицами карбонильного железа.

Увеличение технических характеристик-параметров МСТ по компонентному составу магнитострикционных микрочастиц больше заявленных в интерметаллическом сплаве, например, в мас. % Tb (0,47) Dy (0,35) Fe (0,55), размера микрочастиц 68 мкм, при толщине 25 мкм, и их концентрации в жидком носителе 1,8 мас. % приводит к уменьшению значений теплопроводности до уровня прототипа.

Причиной данного эффекта частично является наложение и взаимоподавление магнитострикционных колебаний близлежащих микрочастиц при повышении их содержания в жидком носителе, кроме того, избыток микрочастиц приводит к их частичному выпадению в осадок и нарушению структуры магнитного поля в структуре теплоносителя.

Источники информации

1. Патент RU 2414764

2. Патент RU 2624113

3. Патент RU №2644900

4. Ватутин Э.И. и др. Некоторые результаты моделирования процесса генерации упругих волн переменным магнитным полем в магнитоупорядоченных композитах. Сборник научных трудов "Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике" (2002).

5. Патент RU 328153

6. Справочник химика 21. Магнитострикционный эффект.Chem21.info.

Примечание:

• МСТ- магнитострикционный теплоноситель; МРТ - магнитореологический теплоноситель;

• Минимальный, усредненный и максимальный составы компонентов для МСТ и МРТ приведены в примерах;

• Режимы проведения экспериментов приведены на стр. 5 и 6 содержания.

Магнитореологический теплоноситель для теплообменных холодильных и кондиционерных систем, состоящий из жидкости, выбранной из ряда спиртов, многоатомных спиртов, воды и их смесей, полиэтилсилоксанов, содержащей мелкодисперсные частицы из магнитного материала, поверхность которых обработана поверхностно-активным веществом, отличающийся тем, что мелкодисперсные микрочастицы представляют собой интерметаллический магнитострикционный сплав тербия, диспрозия и железа состава: Tb(0,30-0,44) Dy(0,15-0,30) Fe(0,30-0,50), причем микрочастицы изготовлены в виде чешуек размером от 5 до 64 мкм по длине и от 3 до 20 мкм по толщине, с содержанием в указанной жидкости в концентрации 0,1-1,6 мас. %.



 

Похожие патенты:

Использование: для получения и обработки пористой пьезокерамики и керамоматричных пьезокомпозитных элементов, и может быть использовано в широкополосных ультразвуковых преобразователях.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения превосходных магнитных характеристик листа при одновременном улучшении способности к адгезии первичной пленки осуществляют: процесс нагрева сляба, имеющего заданный химический состав, при температуре T1°C, составляющей 1150-1300°C, выдержку сляба в течение 5 мин - 30 ч, понижение температуры сляба до T2°C, составляющей T1-50°C или ниже, нагрев сляба при температуре T3°C, составляющей 1280-1450°C, и выдержку сляба в течение 5-60 мин, процесс горячей прокатки нагретого сляба, процесс холодной прокатки, процесс промежуточного отжига горячекатаного стального листа по меньшей мере один раз перед процессом холодной прокатки или перед завершающим проходом процесса холодной прокатки после прерывания холодной прокатки, процесс нанесения отжигового сепаратора и процесс нанесения вторичной пленки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листу из нетекстурированной электротехнической стали, используемому в качестве материала сердечников в двигателях, трансформаторах и подобных устройствах.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения отличных магнитных свойств листа из неориентированной электротехнической стали способ включает использование стального сляба, содержащего мас.%: C не больше 0,01, Si не больше 6, Mn 0,05-3, P не больше 0,2, Al не больше 2, N не больше 0,005, S не больше 0,01, Ga не больше 0,0005, Fe и неизбежные примеси остальное, горячую прокатку сляба, необязательно отжиг, декапирование, холодную прокатку, окончательный отжиг и нанесение изоляционного покрытия, причем средняя скорость нагрева от 500 до 800°C в процессе нагрева во время окончательного отжига составляет не менее чем 50°C/с.

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения свойства изгиба, составляющего число раз повторного изгиба 10 или более получают лист из электротехнической стали, содержащей, мас.%: C 0,005 или менее, Si от 2,0% до 5,0, Mn от 0,01 до 0,5, sol.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению термостабильных редкоземельных магнитов. Магниты могут использоваться в системах автоматики, промышленном оборудовании, автомобилях.

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения магнитных свойств листовой электротехнической стали с ориентированной структурой осуществляют образование линейных канавок единообразной формы на поверхности листовой стали путем травления.

Изобретение относится к листу из электротехнической стали с изолирующим покрытием, превосходным по прошиваемости и стойкости к пылению, при этом в изолирующем покрытии не содержится какого-либо соединения хрома.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству листовой неориентированной электротехнической стали, используемой в качестве материала железных сердечников электрического оборудования.

Предложен электротехнический стальной лист с ориентированной зеренной структурой. Для уменьшения потерь в железе и минимизации уменьшения плотности магнитного потока за счет измельчения магнитного домена получают стальной лист, имеющий поверхность, в которой формируется бороздка, проходящая в направлении, пересекающем направление прокатки, и в которой направление глубины бороздки соответствует направлению толщины листа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листу из электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой, используемому в качестве материала сердечников трансформаторов.

Изобретение относится к способу теплопередачи между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем, а также к жидкому теплоносителю, и может найти применение для отраслей промышленности, связанных с производством стали, алюминия, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлических композитов, никеля или при получении неметаллических материалов, таких как пластмассы.
Изобретение относится к холодильной и отопительной технике, в частности к жидким рабочим составам для применения в качестве промежуточного хладоносителя или низкозамерзающего теплоносителя.

Группа изобретений может быть использована в машиностроении и автомобильной промышленности. Охлаждающая композиция для двигателя внутреннего сгорания содержит: агент для увеличения вязкости; соли или гидроксиды щелочных металлов; основу.

Предложена композиция эффективной термопасты, содержащая сверхразветвленную олефиновую текучую среду и теплопроводный наполнитель, и способ ее получения. Также указанная термопаста может включать модифицирующие свойства добавки и наполнители.

Изобретение относится к жидкости-теплоносителю для двигателей транспортных средств. Описывается концентрат жидкости-теплоносителя, содержащий более 90 мас.

Изобретение относится к области теплообменной техники, а именно к способу обработки магнитореологической жидкости-теплоносителя для холодильных и кондиционерных систем.

Изобретение относится к области жидких теплоносителей. Предложены дикатионные ионные жидкости с полисилоксановым фрагментом в составе катиона общей формулы (I), где R1 и R2 - метил или фенил, R3 - CH2 или (СН2)3, n=3-8, в качестве теплоносителей.

Изобретение относится к магнитореологическим теплоносителям для теплообменных холодильных и кондиционерных установок и систем. Магнитореологический теплоноситель состоит из жидкости, выбранной из спиртов, многоатомных спиртов, воды, их смесей, полиэтилсилоксанов, и микрочастиц интерметаллического магнитострикционного сплава тербия, диспрозия и железа состава: Tb Dy Fe концентрации 0,1-1,6 мас. . Указанные микрочастицы изготовлены в виде чешуек размером от 5 до 64 мкм по длине и от 3 до 20 мкм по толщине. Изобретение обеспечивает повышение теплопроводности теплоносителя при интенсификации процесса теплообмена. 1 табл., 3 пр.

Наверх