Система, основанная на суспензии крошечных частиц магнетита, формы оксида железа, описана в Международном журнале тепломассопереноса в статье, в соавторстве с исследователями Массачусетского технологического института Якопо Буонджорно и Лин-Вен Ху, и четыре других.Ху, заместитель директора Лаборатории ядерных реакторов Массачусетского технологического института, говорит, что новые результаты являются кульминацией нескольких лет исследований наножидкостей — наночастиц, растворенных в воде. Новая работа включала эксперименты, в которых наножидкость магнетита протекала через трубки и управлялась магнитами, расположенными снаружи трубок.По словам Ху, магниты «притягивают частицы ближе к нагретой поверхности» трубки, значительно улучшая передачу тепла от жидкости через стенки трубки в наружный воздух.
Без магнитов жидкость ведет себя так же, как вода, без каких-либо изменений в ее охлаждающих свойствах. Но у магнитов коэффициент теплопередачи выше, говорит она — в лучшем случае примерно на 300 процентов лучше, чем у простой воды. «Мы были очень удивлены» масштабами улучшения, — говорит Ху.
В традиционных методах увеличения теплопередачи в системах охлаждения используются такие элементы, как ребра и канавки на поверхности труб, увеличивающие их площадь поверхности. По словам Ху, это обеспечивает некоторое улучшение теплопередачи, но не так сильно, как магнитные частицы.
Кроме того, изготовление этих элементов может быть дорогостоящим.По словам Ху, улучшение новой системы объясняется тем, что магнитное поле заставляет частицы слипаться — возможно, образуя цепочечную структуру на стороне трубки, ближайшей к магниту, нарушая там поток и увеличение местного температурного градиента.
По словам Ху, хотя эта идея предлагалась и раньше, она так и не была подтверждена на практике. «Это первая известная нам работа, которая демонстрирует это экспериментально», — говорит она.По ее словам, такую систему было бы непрактично применять ко всей системе охлаждения, но она могла бы быть полезна в любой системе, где горячие точки появляются на поверхности охлаждающих трубок. Один из способов справиться с этим — поместить магнитную жидкость и магниты снаружи трубы рядом с горячей точкой, чтобы улучшить теплопередачу в этой точке.«Это изящный способ улучшить теплопередачу», — говорит Буонджорно, доцент кафедры ядерной науки и техники Массачусетского технологического института. «Вы можете представить себе магниты, помещенные в стратегически важных местах», и если это электромагниты, которые можно включать и выключать, «когда вы хотите включить охлаждение, вы включаете магниты и получаете очень локальное охлаждение там».
Хотя теплопередачу можно улучшить другими способами, например, просто прокачивая охлаждающую жидкость через систему быстрее, такие методы используют больше энергии и увеличивают падение давления в системе, что может быть нежелательно в некоторых ситуациях.По словам Буонджорно, у такой системы может быть множество применений: «Вы можете подумать о других системах, которые требуют не обязательно общесистемного охлаждения, а локального охлаждения». Например, микрочипы и другие электронные системы могут иметь участки, подверженные сильному нагреву. По его словам, новые устройства, такие как микросистемы «лаборатория на кристалле», также могут выиграть от такого селективного охлаждения.
В будущем, говорит Буонджорно, этот подход может быть даже полезен для термоядерных реакторов, где могут быть «локализованные горячие точки, где тепловой поток намного выше среднего».Но, по словам исследователей, эти приложения сохранятся и в будущем. «На данный момент это базовое исследование», — говорит Буонджорно. «Это просто показывает, что этот эффект происходит».
В команду также входили Томас МакКрелл, научный сотрудник отдела ядерных наук и инженерии Массачусетского технологического института, и Эльхам Дородчи, Бехдад Могтадери и Реза Азизиан из Университета Ньюкасла в Австралии. Работа была поддержана Университетом Ньюкасла, Granite Power Ltd., Австралийским исследовательским советом и Университетом короля Сауда в Саудовской Аравии.