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÷100A
o
. 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÷100A
o
. Owing to Brown motion, flecks of magnetic metals hover
in the basic liquid. And kinds of liquids such as H
2
O, 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

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 = (ρ
1
-ρ
2
).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:
ωµρ
τ
ω
ρ



2
∇+∇−=
∂
∂
pg

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 ϕ=0, 36, 72, 108 và
180
o
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)
ϕ
DÇu biÕn ¸p
1
2
3
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 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

450
350
α
W/m .K
2
δ,
mm
ϕ
= 0°
ϕ
= 36°
ϕ

=

7
2
°
ϕ

=

1
0
8
°
ϕ

=


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 KCΠ-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
tF
Q
k
∆
=
.
Q: Nhiệt lượng trao đổi, được xác định theo các thông số của dầu.
Q = G
d
.C
pd
.(t
d
” - t
d
’)
F: Diện tích trao đổi nhiệt, F=0,042m
2
∆t: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của 2 môi chất,
o

∆p
(mmd)
G
d
Kg/s
Q
(W)
K
(W/m
2
.K)
∆p
(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

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 60

Líp chÊt láng tõ
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
[1] 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.
[2] 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.
[3] 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.
[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