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 sắt từ với một chất lỏng cơ sở 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 dầu đặc biệt khác thường được sử dụng làm chất lỏng cơ sở. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng chất lỏng từ để tăng cường trao đổi nhiệt khi phủ chất lỏng từ lên bề mặt trao đổi nhiệt . Nhờ chuyển động đối lưu nhiệt từ trong lòng khối chất lỏng từ có nhiệt độ không đều 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 H2O, 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 một chất lỏng cơ sở nào đó. Cơ chế cơ bản đảm bảo cho sự bền vững của chất lỏng từ là chuyển động Brao của các hạt sắt từ. Chỉ có các hạt có kích thước đủ bé mới nhờ chuyển động Brao mà không bị lắng xuống trong trường trọng lực. Tuy nhiên nếu kích thước của các hạt 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 hơn và lắng xuống, nên để ngăn ngừa hiện tượng này cũng như để hạn chế các tác dụng hoá học 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 thước đủ bé (30¸100Ao), trên bề mặt có phủ một lớp chất ổn định và phân tán trong một chất lỏng cơ sở nào đó. Các chất lỏng cơ sở thường hay được sử dụng để chế tạo chất lỏng từ là nước, dầu biến áp, kêrôxin v.v… Chính vì thành phần của chất lỏng từ như vậy nên khi đặt chất lỏng từ trong từ trường, chất lỏng từ sẽ bị từ trường tác động. Chất lỏng từ là một môi chất đặc biệt, 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 từ chỉ thua kém các chất 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 xuất trong vài chục năm gần đây nhưng do tính chất đặc biệt của nó nên đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của chất lỏng từ là để 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 đều, dưới tác dụng của trường trọng lực xuất hiện lực tác động gây nên chuyển động đối lưu tự nhiên. Lực này tạo nên do có chênh lệch mật độ giữa các vùng trong khối chất lỏng: P = (r1-r2).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 đối lưu nhiệt từ. Các phần tử có nhiệt độ thấp được từ trường hút mạnh hơn nên có xu hướng chuyển động về phía từ trường, ngược lại các phần tử có nhiệt độ cao được hút yếu hơn nên bị đẩy ra xa. Đối lưu nhiệt từ có cường độ lớn hơn đối lưu tự nhiên rất nhiều 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 độ từ hoá càng cao, chênh lệch nhiệt độ càng lớn, đặt trong từ trường càng mạnh thì đối lưu nhiệt từ 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: - Phương trình chuyển động của chất lỏng từ: trong đó: mo: Độ từ thẩm chân không 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 của chất lỏng từ có thêm thành phần thể hiện sự tác động của từ trường. Độ từ hoá M của chất lỏng từ phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng khi nhiệt độ giảm. 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 đổi nhiệt Trong phần này chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu 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, được đặt vuông góc một kênh tiết diện 60x60mm và cho dầu biến áp chảy qua kênh đó. Cấu tạo của ống trụ gồm các lớp: Bên trong cùng là một nam châm vĩnh cửu dùng tạo từ trường phân cực và duy trì chất lỏng từ trên bề mặt trao đổi nhiệt, tiếp theo là lớp mica cách nhiệt và cách điện, trên lớp mica có quấn 01 dây điện trở để cung cấp nhiệt, công suất dây điện trở được duy trì không đổi N=19,2 kW nhờ nguồn điện một chiều. Bên ngoài dây điện trở là lớp mica mỏng cách điện, ngoài cùng có phủ một lớp đồng lá 0,1mm làm bề mặt trao đổi nhiệt. Trên bề mặt lá đồng có gắn các cặp nhiệt để đo nhiệt độ bề mặt và bố trí theo các góc j=0, 36, 72, 108 và 180o so với hướng chuyển động vào của dầu biến áp. Nhiệt độ dầu chuyển động trong kênh cũng được đo bằng cặp nhiệt và được bố trí ngay trước ống trụ. Tốc độ dầu chuyển động được duy trì không đổi 0,042 m/s. Ngoài cùng phủ một lớp chất lỏng từ trên cơ sở nước, có độ từ hoá 18 kA/m (MB-18) 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: d= 0; 0,5; 0,8; 1,0 và 1,2mm. Khi chiều dày lớn hơn 1,2mm chúng tôi nhận thấy chất lỏng từ bị cuốn 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 tw 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: Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt của vách trụ, q= 19853 W/m2. Dt: 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: c. Kết quả thí nghiệm Hình 2. Kết quả thí nghiệm 2.2. Phủ trên bề mặt trao đổi nhiệt phẳng a. Mô tả thiết bị thí nghiệm Hình 3. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm Bộ phận chính của thiết bị thí nghiệm là một bề mặt trao đổi nhiệt phẳng giữa hai môi chất chuyển động song song ngược chiều. Chất lỏng nóng là nước chuyển động phía trên, môi chất lạnh chuyển động phía dưới là dầu chân không. Bề mặt trao đổi nhiệt 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 một lớp chất lỏng từ (4) ở phía dưới bề mặt trao đổi nhiệt. Chất lỏng từ sử dụng trong thí nghiệm là chất lỏng từ trên cơ sở nước có độ từ hoá 20 kA/m (MB-20). Do cách bố trí các nam châm nên biên dạng của lớp chất lỏng từ ở phía dưới có dạng hình sin. Nhiệt độ và lưu lượng nước tuần hoàn được 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 chất lỏng từ bị cuốn theo được nam châm (9) thu hồi lại. Lưu lượng dầu tuần hoàn có thể điều chỉnh nhờ 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 nối với máy tự ghi KCP-4 do Liên Xô chế tạo. Độ chênh lệch cột áp giữa dầu đầu vào và đầu ra được đo bằng 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 khoảng 3mm. b. Tính toán - Hệ số truyền nhiệt 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 Dt: 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 t’n ( oC ) Khi không phủ chất lỏng từ Khi phủ chất lỏng từ Gd Kg/s Q (W) K (W/m2.K) Dp (mmd) Gd Kg/s Q (W) K (W/m2.K) Dp (mmd) 40 0,033 0,038 0,049 74,2 72,1 72,0 106 106 107 30 34 44 0,033 0,038 0,049 115 115 114 195 194 191 32 34 45 50 0,036 0,038 0,048 110 109 108 108 107 107 29 32 53 0,036 0,039 0,050 174 175 175 189 186 185 31 35 50 60 0,036 0,038 0,048 150 148 142 110 109 106 26 28 44 0,036 0,038 0,048 228 222 224 183 177 174 27 27 43 Chúng tôi đã tiến hành đo đạc và tính toán với nhiều chế độ nhiệt độ nước 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 bề mặt 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 đối lưu nhiệt từ trong lớp phủ chất lỏng từ. Dưới tác dụng của từ trường, các phần tử chất lỏng từ có nhiệt độ thấp được hút mạnh hơn nên chuyển động về phía bề mặt trao đổi nhiệt, các phần tử chất lỏng từ nhiệt độ cao bị đẩy ra xa. Ở bên ngoài các phần từ, chất lỏng từ nhả nhiệt cho môi trường chất lỏng chuyển động và hạ nhiệt độ xuống và tiếp tục chuyển động vào bên trong, quá trình luân chuyển như vậy thực hiện liên tục. Trong thí nghiệm 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 đặt về phía nguồn nhiệt. Nếu đặt ngược 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 chất lỏng trao đổi 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 bị cuốn theo mà chuyển động xoáy trong lòng của nó (xem hình 4). Cường độ chuyển động xoáy phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của dầu và độ nhớt của chất lỏng từ. Chuyển động xoáy cũng góp phần mang nhiệt từ bề mặt bên trong ra lớp bên ngoài để trao đổi nhiệt. 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, lỏm vào trông như những sợi gai (hình 5). Những sợi gai tạo thành trên bề mặt chất lỏng từ đóng vai trò như những cánh tản nhiệt làm tăng diện tích trao đổi nhiệt lên nhiều lần. Biên độ 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 của dòng giảm đáng kể, đặc biệt trong trường hợp vách trụ. Đối với vách phẳng tổn thất 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 động xoáy tạo 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 nhiệt 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 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 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 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. V.G. Bashtavoi, Conspectus about Thermo-mechanics of magnetic Fluids, Publisher “Institute of high temperature – Scientific Academic of USSR”, Moscow, 1985. B.M Berkovski, B.F. Medvedev, M.C Krakov, Magnetic liquids, Publisher “Chermistry”, Moscow, 1989.