Магнитные наночастицы помогут рассеивать тепло

Частицы, суспендированные в охлажденной воде, способны предотвратить перегрев систем охлаждения на атомных станциях и в электронике.

Системы охлаждения чаще всего основаны на воде, которая подается по трубам для устранения нежелательного повышения температуры. И вот теперь ученые из Массачусетского технологического института нашли способ повышения теплопередачи в подобных системах с помощью магнитных полей. Этот метод поможет предотвратить сбой системы. Новинку можно применять для охлаждения всего, от электронных устройств до атомных реакторов.

Система, основанная на жидком растворе крошечных частиц магнетита, формы оксида железа, описана в издании International Journal of Heat and Mass Transfer исследователями Джакопо Бонджорно, Линь Вэнь Ху и другими.

Ху отметила, что новые результаты — это своеобразная кульминация многолетнего исследования нанофлюидов — наночастиц, растворенных в воде. Новая работа включает эксперименты, в которых нанофлюиды магнетита текут по трубам, причем поток управляется магнитами, помещенными за пределами этих труб.

«Магниты притягивают частицы близко к нагретой поверхности труб, что усиливает передачу тепла жидкости через стенки труб во внешнюю среду», сказала Ху.

Без магнитов жидкость ведет себя как обычная вода, без изменений охлаждающих свойств. Но с магнитами коэффициент теплопередачи выше, а в лучшем случае сразу на 300% выше. Ученых этот эффект весьма удивил.

Обычные методы увеличения теплопередачи в системах охлаждения используют особенности, такие как ребра и углубления на поверхности труб, за счет увеличения взаимодействующей площади поверхности. Это приводит к некоторому совершенствованию теплопередачи, но метод далеко не так эффективен, как в случае с наночастицами и магнитами. Кроме того, существующий метод может быть достаточно дорогостоящим.

Объяснение эффекта новой системы заключается в том, что магнитное поле стимулирует частицы скапливаться вместе, формируя цепеподобные структуры на стороне трубы, наиболее близко расположенной к магниту, нарушая поток и повышая местный температурный градиент.

«Хотя идея эта предлагалась и ранее, не было ее подтверждения на практике», заметила Ху. „Это первая работа, которая демонстрирует систему экспериментально“.

Новинка была бы непрактичной для оснащения всей системы охлаждения, но может оказаться полезной там, где на поверхности труб появляются очаги перегрева. Один из способов состоит в том, чтобы поместить магнитную жидкость внутрь, а магниты за пределами трубы рядом с очагом тепла, увеличивая локально теплопередачу.

«Это аккуратный способ повышения теплопередачи», заявил доцент Бонджорно. „Представьте себе магниты, размещенные в стратегических локациях, и что их можно активировать и выключать. В случае необходимости магниты включаются, и в определенном месте системы запускается ограниченное охлаждение“.

Хотя теплопередачу можно увеличить другими способами, например, просто быстрее закачивая охлаждающую жидкость через систему, такие методы потребляют больше энергии и увеличивают давление в системе, что нежелательно в большинстве случаев.

По словам Бонджорно, новинка обладает богатым потенциалом применения. Например, микрочипы и другие электронные устройства могут иметь участки наибольшего нагрева: для них системы локализованного охлаждения окажется как нельзя кстати.

Забегая вперед, можно предположить, что инновационный метод окажется полезным, в том числе для атомных реакторов, также обладающих очагами нагрева, в которых температура намного превышает средние значения.

«Но все это возможно лишь в будущем, а пока мы заложили базис или даже точку отсчета, продемонстрировав сам эффект», заключили исследователи.

21.11.2013