Đối lưu nhiệt từ của chất lỏng từ và ứng dụng để tăng cường trao đổi nhiệt

Chia sẻ: Ha Ngoc Chung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

125
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chất lỏng từ là một hỗn hợp keo của các chất sắt từ với một chất lỏng cơ sở nào đó. Kích thước của các hạt sắt từ nằm trong khoảng 30+100 A...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đối lưu nhiệt từ của chất lỏng từ và ứng dụng để tăng cường trao đổi nhiệt

ĐỐI LƯU NHIỆT TỪ CỦA CHẤT LỎNG TỪ VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT THERMO-MAGNETIC CONVECTION OF MAGNETIC FLUIDS AND ITS APPLICATION FOR INTENSIFICATION HEAT TRANSMISSION VÕ CHÍ CHÍNH Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Chất lỏng từ là một hỗn hợp keo của các chất s ắt từ với một ch ất lỏng c ơ s ở nào đó. Kích thước của các hạt sắt từ nằm trong khoảng 30 ÷ 100Ao . Nhờ chuyển động Brao nên các hạt sắt từ lơ lửng trong chất lỏng cơ sở. Các chất như nước, kêrôxin và các d ầu đặc bi ệt khác thường được sử dụng làm chất lỏng cơ sở. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một s ố kết quả nghiên c ứu th ực nghi ệm ứng d ụng chất lỏng từ để tăng cường trao đổi nhiệt khi phủ chất l ỏng t ừ lên b ề m ặt trao đ ổi nhi ệt . Nh ờ chuyển động đối lưu nhiệt từ trong lòng khối chất lỏng từ có nhi ệt độ không đ ều mà quá trình trao đổi nhiệt được tăng cường. ABSTRACT A magnetic fluid is a colloidal solution of magnetic metals with any basic liquid. The size of magnetic metals are from 30÷ 100Ao. Owing to Brown motion, flecks of magnetic metals hover in the basic liquid. And kinds of liquids such as H 2O, keroxin, special oils... are usually used as basic liquids. In this article, we would like to introduce some experimental results of magnetic fluids application to intensify heat transmission by covering the surface of heat transmission equipment with a magnetic fluid. Thanks to thermo-magnetic convection of the magnetic fluid which has irregular temperature, magnetic heat transmission is intensified considerably. 1. Chất lỏng từ và đối lưu nhiệt từ 1.1. Chất lỏng từ Chất lỏng từ là hỗn hợp keo của các hạt sắt từ có kích thước đủ bé và m ột ch ất lỏng cơ sở nào đó. Cơ chế cơ bản đảm bảo cho sự bền vững của chất lỏng từ là chuyển đ ộng Brao của các hạt sắt từ. Chỉ có các hạt có kích thước đủ bé mới nh ờ chuyển đ ộng Brao mà không bị lắng xuống trong trường trọng lực. Tuy nhiên nếu kích th ước c ủa các h ạt quá bé thì tính chất từ tính của các hạt sắt từ biến mất. Vì vậy, kích thước thích hợp của các hạt sắt từ cỡ 30÷ 100Ao. Các hạt sắt từ có thể hút lẫn nhau tạo thành hạt lớn h ơn và l ắng xuống, nên để ngăn ngừa hiện tượng này cũng như để hạn chế các tác d ụng hoá h ọc khác, trên bề mặt các hạt sắt từ có phủ một lớp chất ổn định. Như vậy chất lỏng từ là một hệ keo bền vững của các hạt sắt từ có kích th ước đ ủ bé (30÷ 100Ao), trên bề mặt có phủ một lớp chất ổn định và phân tán trong m ột ch ất l ỏng cơ sở nào đó. Các chất lỏng cơ sở thường hay được sử dụng để chế t ạo chất l ỏng t ừ là nước, dầu biến áp, kêrôxin v.v… Chính vì thành phần của chất lỏng từ như vậy nên khi đặt ch ất l ỏng t ừ trong t ừ trường, chất lỏng từ sẽ bị từ trường tác động. Chất lỏng từ là m ột môi ch ất đ ặc bi ệt, là một môi trường bị từ hoá chứ không phải là một nam châm lỏng, vì tính chất từ tính của nó chỉ xuất hiện khi có từ trường. Nếu không có từ trường thì nó là dung dịch keo bình thường như những dung dịch keo khác. Khả năng nhiểm từ của chất lỏng t ừ ch ỉ thua kém các ch ất sắt từ, nó phụ thuộc thành phần của chất lỏng từ và nhiệt độ của nó.
Chất lỏng từ tuy mới được phát minh, nghiên cứu và sản xu ất trong vài ch ục năm gần đây nhưng do tính chất đặc biệt của nó nên đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhi ều lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của ch ất l ỏng t ừ là đ ể tăng cường quá trình trao đổi nhiệt và điều khiển các quá trình gia nhiệt hoặc làm lạnh. 1.2. Đối lưu nhiệt từ Như đã biết trong lòng chất lỏng bất kỳ có nhiệt độ không đ ều, d ưới tác d ụng c ủa trường trọng lực xuất hiện lực tác động gây nên chuyển động đối lưu t ự nhiên. Lực này tạo nên do có chênh lệch mật độ giữa các vùng trong khối chất lỏng: P = (ρ1-ρ2).g Tương tự như vậy, khi đặt khối chất lỏng từ có nhiệt độ không đều trong từ trường, thì trong lòng của nó xuất hiện một lực gây nên chuyển động đối lưu gọi là đ ối lưu nhiệt từ. Các phần tử có nhiệt độ thấp được từ trường hút mạnh h ơn nên có xu h ướng chuyển động về phía từ trường, ngược lại các phần tử có nhiệt độ cao được hút yếu h ơn nên bị đẩy ra xa. Đối lưu nhiệt từ có cường độ lớn h ơn đ ối l ưu t ự nhiên r ất nhi ều và có thể thay đổi thông qua thay đổi cường độ từ trường. Đối lưu nhiệt từ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng từ, chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng trong khối chất lỏng từ và cường độ từ trường. Chất lỏng từ có đ ộ t ừ hoá càng cao, chênh lệch nhiệt độ càng lớn, đặt trong từ trường càng mạnh thì đ ối l ưu nhi ệt t ừ càng mạnh mẽ. Khi nghiên cứu lý thuyết về động học chất lỏng từ, người ta rút ra: - Phương trình chuyển động của chất lỏng thường:  ∂ω   ρ = ρ .g − ∇p + µ .∇ 2ω ∂τ - Phương trình chuyển động của chất lỏng từ:  ∂ω    ρ = ρ .g − ∇p + µ .∇ 2ω + µo.M .∇H ∂τ µo: Độ từ thẩm chân không trong đó: M: Độ từ hoá của chất lỏng từ, KA/m H: Cường độ từ trường Như vậy, khác với chất lỏng thường, trong phương trình chuyển động c ủa chất  lỏng từ có thêm thành phần µo.M .∇H thể hiện sự tác động của từ trường. Độ từ hoá M của chất lỏng từ phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng khi nhi ệt độ gi ảm. Đó là nguyên nhân gây ra sự chuyển động đối lưu trong lòng chất lỏng từ có nhiệt độ không đều. 2. Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng chất lỏng từ để tăng cường trao đ ổi nhiệt Trong phần này chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên c ứu thực nghiệm sử dụng chất lỏng từ để tăng cường trao đổi nhiệt khi phủ trên các bề mặt trao đổi nhiệt. 2.1. Phủ trên bề mặt trao đổi nhiệt hình trụ a. Mô tả thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm là một ống hình trụ dài 44mm, đường kính 7mm, đ ược đ ặt vuông góc một kênh tiết diện 60x60mm và cho dầu biến áp chảy qua kênh đó. Cấu tạo c ủa ống trụ gồm các lớp: Bên trong cùng là m ột nam châm vĩnh c ửu dùng t ạo t ừ tr ường phân cực và duy trì chất lỏng từ trên bề mặt trao đổi nhiệt, tiếp theo là l ớp mica cách nhi ệt và cách điện, trên lớp mica có quấn 01 dây điện trở để cung cấp nhi ệt, công su ất dây đi ện tr ở được duy trì không đổi N=19,2 kW nhờ nguồn đi ện m ột chiều. Bên ngoài dây đi ện tr ở là lớp mica mỏng cách điện, ngoài cùng có phủ một lớp đồng lá 0,1mm làm b ề m ặt trao đ ổi
nhiệt. Trên bề mặt lá đồng có gắn các cặp nhiệt để đo nhiệt độ bề m ặt và bố trí theo các góc ϕ=0, 36, 72, 108 và 180o so với hướng chuyển động vào của dầu biến áp. Nhi ệt độ dầu chuyển động trong kênh cũng được đo bằng cặp nhiệt và được bố trí ngay tr ước ống trụ. Tốc độ dầu chuyển động được duy trì không đổi 0,042 m/s. Ngoài cùng ph ủ m ột l ớp chất lỏng từ trên cơ sở nước, có độ từ hoá 18 kA/m (MB-18) 1 2 3 ϕ DÇ biÕ ¸ p un 4 5 1- Nam châm vĩnh cửu; 2- Mica cách nhiệt; 3- Điện trở; 4- Đồng lá; 5- Chất lỏng từ Hình 1. Cấu tạo thiết bị thí nghiệm Các thí nghiệm được tiến hành với độ dày lớp chất lỏng từ khác nhau: δ= 0; 0,5; 0,8; 1,0 và 1,2mm. Khi chiều dày lớn hơn 1,2mm chúng tôi nhận thấy chất l ỏng t ừ b ị cu ốn theo dầu nên không thể tăng chiều dày thêm nữa. Ở mỗi độ dày khác nhau, chúng tôi đã tiến hành đo nhiệt độ bề mặt t w ở các vị trí khác nhau dọc theo dòng chảy và nhiệt độ dầu tf. b. Tính toán - Hệ số toả nhiệt đối lưu: q α= ∆t q: Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt của vách trụ, q= 19853 W/m2. ∆ t: Độ chênh nhiệt độ của bề mặt vách trụ với dầu chuyển động trong kênh. - Hệ số toả nhiệt trung bình trên toàn diện tích: 180 1 180 ∫ α= α i .dϕ 0 c. Kết quả thí nghiệm
α W/m2.K 650 ϕ = 0° ϕ = 36° 550 ° ϕ = 72 ° ϕ = 108 450 180° ϕ= δ, mm 350 0,0 0,4 0,8 1,2 Hình 2. Kết quả thí nghiệm 2.2. Phủ trên bề mặt trao đổi nhiệt phẳng a. Mô tả thiết bị thí nghiệm 7 4 3 2 65 p 8 10 1 9 Hình 3. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm Bộ phận chính của thiết bị thí nghiệm là một bề mặt trao đổi nhi ệt phẳng gi ữa hai môi chất chuyển động song song ngược chiều. Chất lỏng nóng là n ước chuyển đ ộng phía trên, môi chất lạnh chuyển động phía dưới là dầu chân không. Bề m ặt trao đ ổi nhi ệt là tấm đồng lá mỏng kích thước 42x1000mm, dày 0,1mm. Phía trên có gắn các nam châm vĩnh cửa (5), các nam châm có tác dụng hút và duy trì m ột lớp chất l ỏng t ừ (4) ở phía d ưới b ề mặt trao đổi nhiệt. Chất lỏng từ sử dụng trong thí nghi ệm là chất lỏng từ trên c ơ s ở n ước có độ từ hoá 20 kA/m (MB-20). Do cách bố trí các nam châm nên biên d ạng c ủa l ớp ch ất lỏng từ ở phía dưới có dạng hình sin. Nhiệt độ và lưu lượng nước tuần hoàn đ ược duy trì nhờ thiết bị thermostat (3). Dầu được bơm (1) bơm đến bể chứa (2) sau đó chảy vào phía dưới bề mặt trao đổi nhiệt. Sau khi trao đổi nhiệt dầu chảy về bể chứa (8), ở đây lượng ch ất l ỏng t ừ b ị cu ốn theo được nam châm (9) thu hồi lại. Lưu lượng dầu tu ần hoàn có th ể đi ều ch ỉnh nh ờ van điều chỉnh (10), do đó có thể thay đổi tốc độ dầu qua bề mặt trao đổi nhiệt. Lưu lượng dầu được xác định bằng cách hứng đo trực tiếp tại bể (8).
Nhiệt độ nước vào, ra thiết bị được đo bằng cặp nhiệt và n ối với máy t ự ghi KC Π- 4 do Liên Xô chế tạo. Độ chênh lệch cột áp giữa dầu đầu vào và đầu ra đ ược đo b ằng áp kế vi sai (7). Để tiện lợi cho việc quan sát thiết bị thí nghiệm và giảm tổn thất nhiệt ra xung quanh, các kênh chuyển động của các môi chất được ghép từ các tấm mi ca (6) dày kho ảng 3mm. b. Tính toán - Hệ số truyền nhiệt Q k= F .∆t Q: Nhiệt lượng trao đổi, được xác định theo các thông số của dầu. Q = Gd.Cpd.(td” - td’) F: Diện tích trao đổi nhiệt, F=0,042m2 ∆ t: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của 2 môi chất, oK Gd: Lưu lượng dầu, kg/s Cpd: Nhiệt dung riêng của dầu chân không, J/kg.K td”, td’: Nhiệt độ dầu ra, vào thiết bị trao đổi nhiệt, oC c. Kết quả thí nghiệm Khi không phủ chất lỏng từ Khi phủ chất lỏng từ t’n ∆p ∆p Gd Q K Gd Q K ( oC ) (W/m2.K) (mmd) (W/m2.K) (mmd) Kg/s (W) Kg/s (W) 0,033 74,2 106 30 0,033 115 195 32 40 0,038 72,1 106 34 0,038 115 194 34 0,049 72,0 107 44 0,049 114 191 45 0,036 110 108 29 0,036 174 189 31 50 0,038 109 107 32 0,039 175 186 35 0,048 108 107 53 0,050 175 185 50 0,036 150 110 26 0,036 228 183 27 0,038 148 109 28 0,038 222 177 27 60 0,048 142 106 44 0,048 224 174 43 Chúng tôi đã tiến hành đo đạc và tính toán với nhi ều chế độ nhi ệt đ ộ n ước khác nhau: 40; 50 và 60oC, mỗi chế độ được đo nhiều lần. Các kết quả đo đạc và tính toán được đưa ra ở bảng trên đây. 3. Nhận xét và kết luận Từ các kết quả nghiên cứu khi phủ và không phủ chất lỏng từ lên các b ề m ặt trao đổi nhiệt đặt trong các từ trường, chúng tôi nhận thấy: 1. Khi phủ chất lỏng từ lên các bề mặt trao đổi nhiệt, hiệu quả trao đổi nhiệt tăng lên đáng kể (20÷ 60%) Có nhiều cơ chế làm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt: - Cơ chế cơ bản quan trọng nhất làm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt là đ ối l ưu nhi ệt từ trong lớp phủ chất lỏng từ. Dưới tác dụng c ủa từ tr ường, các phần t ử ch ất l ỏng t ừ có nhiệt độ thấp được hút mạnh hơn nên chuyển động về phía b ề m ặt trao đ ổi nhi ệt, các phần tử chất lỏng từ nhiệt độ cao bị đẩy ra xa. Ở bên ngoài các ph ần t ừ, ch ất l ỏng t ừ nh ả nhiệt cho môi trường chất lỏng chuyển động và hạ nhi ệt đ ộ xu ống và ti ếp t ục chuy ển
động vào bên trong, quá trình luân chuyển như vậy thực hi ện liên tục. Trong thí nghi ệm này, chất lỏng từ đóng vai trò như những chất tải nhiệt. Cần lưu ý bố trí thiết bị thí nghiệm hợp lý mới tạo nên sự đối lưu nhiệt từ trong lòng chất lỏng từ, cụ thể là các nam châm phải đ ặt về phía ngu ồn nhi ệt. N ếu đ ặt ng ược lại về phía nguồn lạnh thì sẽ không tạo ra sự đối lưu trong lòng chất lỏng từ. - Sự chuyển động xoáy trong lớp chất lỏng từ do lực ma sát. Khi ch ất l ỏng trao đ ổi nhiệt chuyển động ngang qua bề mặt phủ chất lỏng từ, dưới tác dụng của ma sát các phần tử sát bề mặt chuyển động theo, nhưng do lực hút của nam châm lớp chất lỏng từ không b ị cuốn theo mà chuyển động xoáy trong lòng c ủa nó (xem hình 4). C ường đ ộ chuy ển đ ộng xoáy phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của dầu và độ nhớt của chất l ỏng t ừ. Chuy ển động xoáy cũng góp phần mang nhiệt từ bề mặt bên trong ra l ớp bên ngoài đ ể trao đ ổi nhiệt. Nam ch©m Nam ch©m DÇu Lí p chÊ láng tõ t Lí p chÊ láng tõ t DÇu Hình 4. Chuyển động xoáy trong lớp chất lỏng từ - Sự biến dạng bề mặt tự do lớp chất lỏng từ: Người ta nhận thấy khi cường độ từ trường đủ lớn, bề mặt tự do của chất lỏng không còn bằng phẳng mà lồi ra, l ỏm vào trông như những sợi gai (hình 5). Những sợi gai tạo thành trên bề m ặt chất lỏng từ đóng vai trò như những cánh tản nhiệt làm tăng diện tích trao đổi nhi ệt lên nhi ều l ần. Biên đ ộ và hình dáng của các gai phụ thuộc nhiều vào cường độ từ trường, cường độ từ trường càng mạnh biên độ càng lớn. Hình 5. Bề mặt tự do của chất lỏng từ trong từ trường 2. Khi phủ chất lỏng từ trên các bề mặt trao đổi nhiệt, tổn thất ma sát c ủa dòng giảm đáng kể, đặc biệt trong trường hợp vách trụ. Đối với vách phẳng tổn th ất ma sát gần như không đổi, mặc dù tiết diện chuyển động giảm đáng kể khi có phủ chất lỏng từ. Sở dĩ tổn thất ma sát giảm là do độ nhớt của chất lỏng từ khá nhỏ và sự chuyển đ ộng xoáy t ạo nên. Tóm lại khi phủ chất lỏng từ lên các bề mặt trao đổi nhiệt đặt trong từ trường, nhờ nhiều cơ chế khác nhau, trong đó đặc biệt là chuyển động đối lưu nhi ệt từ mà quá trình trao đổi nhiệt được tăng cường, tổn thất ma sát giảm. TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Chí Chính, Đặng Quốc Phú, Phạm văn Tuỳ, Tăng cường trao đổi nhiệt qua vách [1] phủ chất lỏng từ, Tạp chí Năng lượng số 1, 1990, trang 43÷ 50. Võ Chí Chính, Đặng Quốc Phú, Phạm văn Tuỳ, Nghiên cứu các tính chất nhiệt vật [2] lý của một số chất lỏng từ được sử dụng để tăng cường truyền nhiệt, Tạp chí Năng lượng số 2, 1990, trang 57÷ 64.
Võ Chí Chính, Đặng Quốc Phú, Phạm văn Tuỳ, Nghiên cứu hiệu quả và khả năng [3] điều khiển quá trình làm mát bằng chất lỏng từ, Tạp chí Khoa học kỹ thuật, Viện khoa học Việt Nam số số 11+12, 1991, trang 21÷ 24. [4] V.G. Bashtavoi, Conspectus about Thermo-mechanics of magnetic Fluids, Publisher “Institute of high temperature – Scientific Academic of USSR”, Moscow, 1985. [5] B.M Berkovski, B.F. Medvedev, M.C Krakov, Magnetic liquids, Publisher “Chermistry”, Moscow, 1989.