Trong lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin nói riêng, yêu cầu quan trọng nhất của người học đó chính là thực hành. Có thực hành thì người học mới có thể tự mình lĩnh hội và hiểu biết sâu sắc với lý thuyết. Với ngành mạng máy tính, nhu cầu thực hành được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên, trong điều kiện còn thiếu thốn về trang bị như hiện nay, người học đặc biệt là sinh viên ít có điều kiện thực hành. Đặc biệt là với các thiết bị đắt tiền như Router, Switch chuyên dụng
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 hỗn hợp keo chất sắt từ với chất lỏng sở Kích thước hạt sắt từ nằm khoảng 30100Ao Nhờ chuyển động Brao nên hạt sắt từ lơ lửng chất lỏng sở Các chất nước, kêrôxin dầu đặc biệt khác thường sử dụng làm chất lỏng sở Trong báo giới thiệu số kết nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng chất lỏng từ để tăng cường trao đổi nhiệt phủ chất lỏng từ lên bề mặt trao đổi nhiệt Nhờ chuyển động đối lưu nhiệt từ lòng khối chất lỏng từ có nhiệt độ khơng mà trình trao đổi nhiệt tăng cường ABSTRACT A magnetic fluid is a colloidal solution of magnetic metals with any basic liquid The size of magnetic metals are from 30100Ao 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 Chất lỏng từ đối lưu nhiệt từ 1.1 Chất lỏng từ Chất lỏng từ hỗn hợp keo hạt sắt từ có kích thước đủ bé chất lỏng sở Cơ chế đảm bảo cho bền vững chất lỏng từ chuyển động Brao hạt sắt từ Chỉ có hạt có kích thước đủ bé nhờ chuyển động Brao mà không bị lắng xuống trường trọng lực Tuy nhiên kích thước hạt q bé tính chất từ tính hạt sắt từ biến Vì vậy, kích thước thích hợp hạt sắt từ cỡ 30100Ao Các hạt sắt từ hút lẫn tạo thành hạt lớn lắng xuống, nên để ngăn ngừa tượng để hạn chế tác dụng hoá học khác, bề mặt hạt sắt từ có phủ lớp chất ổn định Như chất lỏng từ hệ keo bền vững hạt sắt từ có kích thước đủ bé (30100Ao), bề mặt có phủ lớp chất ổn định phân tán chất lỏng sở Các chất lỏng sở thường hay sử dụng để chế tạo chất lỏng từ nước, dầu biến áp, kêrơxin v.v… Chính thành phần chất lỏng từ nên đặt chất lỏng từ từ trường, chất lỏng từ bị từ trường tác động Chất lỏng từ môi chất đặc biệt, mơi trường bị từ hố khơng phải nam châm lỏng, tính chất từ tính xuất có từ trường Nếu khơng có từ trường dung dịch keo bình thường dung dịch keo khác Khả nhiểm từ chất lỏng từ thua chất sắt từ, phụ thuộc thành phần chất lỏng từ nhiệt độ Chất lỏng từ phát minh, nghiên cứu sản xuất vài chục năm gần tính chất đặc biệt nên ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Một ứng dụng quan trọng chất lỏng từ để tăng cường trình trao đổi nhiệt điều khiển trình gia nhiệt làm lạnh 1.2 Đối lưu nhiệt từ Như biết lịng chất lỏng có nhiệt độ khơng đều, tác dụng trường trọng lực xuất lực tác động gây nên chuyển động đối lưu tự nhiên Lực tạo nên có chênh lệch mật độ vùng khối chất lỏng: P = (1-2).g Tương tự vậy, đặt khối chất lỏng từ có nhiệt độ khơng từ trường, lịng xuất lực gây nên chuyển động đối lưu gọi đối lưu nhiệt từ Các phần tử có nhiệt độ thấp từ trường hút mạnh nên có xu hướng chuyển động phía từ trường, ngược lại phần tử có nhiệt độ cao hút yếu nên bị đẩy xa Đối lưu nhiệt từ có cường độ lớn đối lưu tự nhiên nhiều thay đổi thông qua thay đổi cường độ từ trường Đối lưu nhiệt từ phụ thuộc vào chất chất lỏng từ, chênh lệch nhiệt độ vùng khối chất lỏng từ cường độ từ trường Chất lỏng từ có độ từ hố cao, chênh lệch nhiệt độ lớn, đặt từ trường mạnh đối lưu nhiệt từ mạnh mẽ Khi nghiên cứu lý thuyết động học chất lỏng từ, người ta rút ra: - Phương trình chuyển động chất lỏng thường: g p 2 - Phương trình chuyển động chất lỏng từ: g p . 2 o.M H đó: o: Độ từ thẩm chân khơng M: Độ từ hoá chất lỏng từ, KA/m H: Cường độ từ trường Như vậy, khác với chất lỏng thường, phương trình chuyển động chất lỏng từ có thêm thành phần o.M H thể tác động từ trường Độ từ hoá M chất lỏng từ phụ thuộc vào nhiệt độ tăng nhiệt độ giảm Đó nguyên nhân gây chuyển động đối lưu lòng chất lỏng từ có nhiệt độ khơng Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng chất lỏng từ để tăng cường trao đổi nhiệt Trong phần chúng tơi trình bày số kết nghiên cứu thực nghiệm sử dụng chất lỏng từ để tăng cường trao đổi nhiệt phủ bề mặt trao đổi nhiệt 2.1 Phủ bề mặt trao đổi nhiệt hình trụ a Mơ tả thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm ống hình trụ dài 44mm, đường kính 7mm, đặt vng góc kênh tiết diện 60x60mm cho dầu biến áp chảy qua kênh Cấu tạo ống trụ gồm lớp: Bên nam châm vĩnh cửu dùng tạo từ trường phân cực trì chất lỏng từ bề mặt trao đổi nhiệt, lớp mica cách nhiệt cách điện, lớp mica có quấn 01 dây điện trở để cung cấp nhiệt, cơng suất dây điện trở trì khơng đổi N=19,2 kW nhờ nguồn điện chiều Bên dây điện trở lớp mica mỏng cách điện, có phủ lớp đồng 0,1mm làm bề mặt trao đổi nhiệt Trên bề mặt đồng có gắn cặp nhiệt để đo nhiệt độ bề mặt bố trí theo góc =0, 36, 72, 108 180o so với hướng chuyển động vào dầu biến áp Nhiệt độ dầu chuyển động kênh đo cặp nhiệt bố trí trước ống trụ Tốc độ dầu chuyển động trì khơng đổi 0,042 m/s Ngồi phủ lớp chất lỏng từ sở nước, có độ từ hố 18 kA/m (MB-18) DÇu biÕn ¸p 1- Nam châm vĩnh cửu; 2- Mica cách nhiệt; 3- Điện trở; 4- Đồng lá; 5- Chất lỏng từ Hình Cấu tạo thiết bị thí nghiệm Các thí nghiệm tiến hành với độ dày lớp chất lỏng từ khác nhau: = 0; 0,5; 0,8; 1,0 1,2mm Khi chiều dày lớn 1,2mm nhận thấy chất lỏng từ bị theo dầu nên tăng chiều dày thêm Ở độ dày khác nhau, tiến hành đo nhiệt độ bề mặt tw vị trí khác dọc theo dòng chảy nhiệt độ dầu tf b Tính tốn - Hệ số toả nhiệt đối lưu: q t q: Mật độ dòng nhiệt bề mặt vách trụ, q= 19853 W/m2 t: Độ chênh nhiệt độ bề mặt vách trụ với dầu chuyển động kênh - Hệ số toả nhiệt trung bình tồn diện tích: 180 i d 180 0 c Kết thí nghiệm W/m2.K 650 = 0° = 36° 550 ° = 72 ° = 108 450 = 350 0,0 80° mm 0,4 0,8 Hình Kết thí nghiệm 1,2 2.2 Phủ bề mặt trao đổi nhiệt phẳng p a Mô tả thiết bị thí nghiệm 10 Hình Sơ đồ thiết bị thí nghiệm Bộ phận thiết bị thí nghiệm bề mặt trao đổi nhiệt phẳng hai môi chất chuyển động song song ngược chiều Chất lỏng nóng nước chuyển động phía trên, mơi chất lạnh chuyển động phía dầu chân khơng Bề mặt trao đổi nhiệt đồng mỏng kích thước 42x1000mm, dày 0,1mm Phía có gắn nam châm vĩnh cửa (5), nam châm có tác dụng hút trì lớp chất lỏng từ (4) phía bề mặt trao đổi nhiệt Chất lỏng từ sử dụng thí nghiệm chất lỏng từ sở nước có độ từ hố 20 kA/m (MB-20) Do cách bố trí nam châm nên biên dạng lớp chất lỏng từ phía có dạng hình sin Nhiệt độ lưu lượng nước tuần hoàn trì nhờ thiết bị thermostat (3) Dầu bơm (1) bơm đến bể chứa (2) sau chảy vào phía bề mặt trao đổi nhiệt Sau trao đổi nhiệt dầu chảy bể chứa (8), lượng chất lỏng từ bị theo nam châm (9) thu hồi lại Lưu lượng dầu tuần hồn điều chỉnh nhờ van điều chỉnh (10), thay đổi tốc độ dầu qua bề mặt trao đổi nhiệt Lưu lượng dầu xác định cách hứng đo trực tiếp bể (8) Nhiệt độ nước vào, thiết bị đo cặp nhiệt nối với máy tự ghi KC-4 Liên Xô chế tạo Độ chênh lệch cột áp dầu đầu vào đầu đo áp kế vi sai (7) Để tiện lợi cho việc quan sát thiết bị thí nghiệm giảm tổn thất nhiệt xung quanh, kênh chuyển động môi chất ghép từ mi ca (6) dày khoảng 3mm b Tính tốn - Hệ số truyền nhiệt Q F t Q: Nhiệt lượng trao đổi, xác định theo thông số dầu Q = Gd.Cpd.(td” - td’) F: Diện tích trao đổi nhiệt, F=0,042m2 t: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit mơi chất, oK Gd: Lưu lượng dầu, kg/s Cpd: Nhiệt dung riêng dầu chân không, J/kg.K td”, td’: Nhiệt độ dầu ra, vào thiết bị trao đổi nhiệt, oC k c Kết thí nghiệm t’n ( oC ) 40 50 60 Khi không phủ chất lỏng từ Gd Q K p Kg/s (W) (W/m2.K) (mmd) 0,033 74,2 106 30 0,038 72,1 106 34 0,049 72,0 107 44 0,036 110 108 29 0,038 109 107 32 0,048 108 107 53 0,036 150 110 26 0,038 148 109 28 0,048 142 106 44 Gd Kg/s 0,033 0,038 0,049 0,036 0,039 0,050 0,036 0,038 0,048 Khi phủ chất lỏng từ Q K p (W) (W/m2.K) (mmd) 115 195 32 115 194 34 114 191 45 174 189 31 175 186 35 175 185 50 228 183 27 222 177 27 224 174 43 Chúng tơi tiến hành đo đạc tính tốn với nhiều chế độ nhiệt độ nước khác nhau: 40; 50 60oC, chế độ đo nhiều lần Các kết đo đạc tính tốn đưa bảng Nhận xét kết luận Từ kết nghiên cứu phủ không phủ chất lỏng từ lên bề mặt trao đổi nhiệt đặt từ trường, nhận thấy: Khi phủ chất lỏng từ lên bề mặt trao đổi nhiệt, hiệu trao đổi nhiệt tăng lên đáng kể (2060%) Có nhiều chế làm tăng hiệu trao đổi nhiệt: - Cơ chế quan trọng làm tăng hiệu trao đổi nhiệt đối lưu nhiệt từ lớp phủ chất lỏng từ Dưới tác dụng từ trường, phần tử chất lỏng từ có nhiệt độ thấp hút mạnh nên chuyển động phía bề mặt trao đổi nhiệt, phần tử chất lỏng từ nhiệt độ cao bị đẩy xa Ở bên phần từ, chất lỏng từ nhả nhiệt cho môi trường chất lỏng chuyển động hạ nhiệt độ xuống tiếp tục chuyển động vào bên trong, trình luân chuyển thực liên tục Trong thí nghiệm này, chất lỏng từ đóng vai trị chất tải nhiệt Cần lưu ý bố trí thiết bị thí nghiệm hợp lý tạo nên đối lưu nhiệt từ lòng chất lỏng từ, cụ thể nam châm phải đặt phía nguồn nhiệt Nếu đặt ngược lại phía nguồn lạnh khơng tạo đối lưu lòng chất lỏng từ - Sự chuyển động xoáy lớp chất lỏng từ lực ma sát Khi chất lỏng trao đổi nhiệt chuyển động ngang qua bề mặt phủ chất lỏng từ, tác dụng ma sát phần tử sát bề mặt chuyển động theo, lực hút nam châm lớp chất lỏng từ khơng bị theo mà chuyển động xốy lịng (xem hình 4) Cường độ chuyển động xoáy phụ thuộc vào tốc độ chuyển động dầu độ nhớt chất lỏng từ Chuyển động xốy góp phần mang nhiệt từ bề mặt bên lớp bên để trao đổi nhiệt Nam châm Nam châm Dầu Lớp chất lỏng từ Lớp chất láng tõ DÇu Hình Chuyển động xốy lớp chất lỏng từ - Sự biến dạng bề mặt tự lớp chất lỏng từ: Người ta nhận thấy cường độ từ trường đủ lớn, bề mặt tự chất lỏng khơng cịn phẳng mà lồi ra, lỏm vào trơng sợi gai (hình 5) Những sợi gai tạo thành bề mặt chất lỏng từ đóng vai trị cánh tản nhiệt làm tăng diện tích trao đổi nhiệt lên nhiều lần Biên độ hình dáng gai phụ thuộc nhiều vào cường độ từ trường, cường độ từ trường mạnh biên độ lớn Hình Bề mặt tự chất lỏng từ từ trường Khi phủ chất lỏng từ bề mặt trao đổi nhiệt, tổn thất ma sát dòng giảm đáng kể, đặc biệt trường hợp vách trụ Đối với vách phẳng tổn thất ma sát gần không đổi, tiết diện chuyển động giảm đáng kể có phủ chất lỏng từ Sở dĩ tổn thất ma sát giảm độ nhớt chất lỏng từ nhỏ chuyển động xốy tạo nên Tóm lại phủ chất lỏng từ lên bề mặt trao đổi nhiệt đặt từ trường, nhờ nhiều chế khác nhau, đặc biệt chuyển động đối lưu nhiệt từ mà trình trao đổi nhiệt tăng cường, tổn thất ma sát giảm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] 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 4350 Võ Chí Chính, Đặng Quốc Phú, Phạm văn Tuỳ, Nghiên cứu tính chất nhiệt vật lý số chất lỏng từ sử dụng để tăng cường truyền nhiệt, Tạp chí Năng lượng số 2, 1990, trang 5764 Võ Chí Chính, Đặng Quốc Phú, Phạm văn Tuỳ, Nghiên cứu hiệu khả điều khiển trình làm mát chất lỏng từ, Tạp chí Khoa học kỹ thuật, Viện khoa học Việt Nam số số 11+12, 1991, trang 2124 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