Jaki jest potencjał przenoszenia ciepła w oparciu o płyn magnetyczny-w przypadku wymienników PTFE, eliminujący części ruchome?

Wszystkie obiegowe pętle wymiany ciepła wyposażone są w pompę z uszczelnieniami mechanicznymi, łożyskami, wałami i powierzchniami zużywalnymi, których konserwacja z czasem staje się problemem. Pierwiastki te są na ogół pierwszą przyczyną wycieków i zanieczyszczeń w korozyjnych układach chemicznych. Nowy pomysł proponuje zupełnie inne podejście: pozwolić, aby sam płyn zareagował na pole magnetyczne i zrezygnować ze zwykłej aparatury pompującej.

Ferrofluid – ciecz zawierająca zawieszone nanocząstki magnetyczne – można przepchnąć przez wymiennik ciepła PTFE za pomocą zewnętrznego wirującego pola magnetycznego. Żadne wirniki nie stykają się z cieczą. System nie łamie żadnych pieczęci. Nie ma ruchomych części mechanicznych, które stykają się ze strumieniem procesowym. Zapewnia to całkowicie szczelną pętlę cyrkulacji ciepła, która ma doskonałą odporność zarówno na wycieki, jak i korozję.

Technologia wymiennika ciepła PTFE z płynem magnetycznym i braku ruchomych części to bardzo eksperymentalna, ale potencjalnie rewolucyjna metoda obróbki cieplnej i zarządzania niebezpiecznymi płynami.

Podstawy ferrofluidów
Ferrofluid to stabilna koloidalna zawiesina nanocząstek magnetycznych rozproszonych w cieczy nośnej.

Cząstki magnetyczne to zazwyczaj:

Nanocząsteczki tlenku żelaza

Materiały na bazie magnetytu

Koloidy magnetyczne stabilizowane powierzchniowo

Płyn nośny może być:

Woda

Olej, syntetyczny

Fluorowane rozpuszczalniki

Specjalne płyny dielektryczne

Środki powierzchniowo czynne zapobiegają aglomeracji i osadzaniu się, dzięki czemu nanocząstki pozostają unoszące się na wodzie.

Pod wpływem pola magnetycznego ciecz zachowuje się jak ciecz magnetycznie wrażliwa, a mimo to zachowuje właściwości cieczy.

To szczególne zachowanie pozwala zewnętrznym systemom magnetycznym kontrolować ruch płynu bez żadnego mechanicznego dotyku.

Jak działa magnetyczne pompowanie cieczy?
Ferrociecz w proponowanym systemie wymiennika PTFE jest w całości zawarta w zamkniętej pętli cyrkulacyjnej.

Zewnętrzny obrotowy zespół magnetyczny wytwarza ruchome pole magnetyczne na zewnątrz rurki PTFE.

Ta konfiguracja magnetyczna jest porównywalna ze stojanem bezszczotkowego silnika elektrycznego.

Siły magnetyczne działają na nanocząstki zawieszone w ferrocieczy, gdy pole magnetyczne się wiruje. Ciecz podlega ukierunkowanemu oporowi. Zaczyna krążyć rurkami wymiennika.

Magnesy wewnątrz mogą powodować obracanie się cieczy bez konieczności stosowania typowego wirnika lub uszczelnienia wału.

Zwilżane są tylko wewnętrzne ścianki rurek PTFE i elementy obwodu płynu związane z rurkami PTFE.

Dlaczego PTFE jest atrakcyjny w systemach ferrofluidowych?
Właściwości PTFE potwierdzają kilka koncepcji cyrkulacji płynu magnetycznego.

Są to:

Doskonała odporność chemiczna

Izolacja elektryczna

Powierzchnie nie-reaktywne

Odporność na korozję

Niska skłonność do zabrudzeń

Nie-metaliczne, chemicznie obojętne właściwości PTFE pozwalają na całkowitą izolację wrogich płynów od zewnętrznych układów mechanicznych.

Otwiera to potencjał:

Hermetyczne pętle termiczne

Nie ma szans na wyciek

Zmniejszone ryzyko skażenia

Minimalne drogi korozji

Połączenie zamknięcia PTFE i cyrkulacji napędzanej magnetycznie jest szczególnie interesującym rozwiązaniem w przypadku bardzo niebezpiecznych warunków procesowych.

Utylizacja uszczelnień mechanicznych i łożysk
Konwencjonalne pompy nadal są jednym z najbardziej-podatnych na awarie elementów systemów przetwarzania chemicznego.

Typowe problemy obejmują:

Wyciek uszczelek

Zużycie łożysk

Korozja wału

Brak smarowania

Uszkodzenia spowodowane wibracjami

Kawitacja

Problemy te stają się szczególnie istotne podczas obsługi:

Substancje trujące

Płyny radioaktywne

Ultra-czyste płyny

Kwasy żrące,

Drogie-płyny specjalistyczne

W pełni napędzana magnetycznie pętla cyrkulacyjna może łącznie usunąć kilka z tych trybów awarii.

Granica płynu jest znacznie prostsza, ponieważ nie ma obrotowego, zwilżonego sprzętu.

Obietnica hermetycznie zamkniętych pętli termicznych
Jedną z najbardziej atrakcyjnych cech wymiennika ciepła PTFE z płynem magnetycznym bez technologii ruchomych części jest potencjał całkowitej hermetycznej izolacji.

Ponieważ siła krążenia jest przykładana zewnętrznie,

Wewnątrz pojemnika nie ma wałów obrotowych

Nie ma potrzeby stosowania uszczelnień dynamicznych

Nie ma potrzeby stosowania dławików uszczelniających

Żadne zewnętrzne systemy smarowania nie mają kontaktu z cieczą procesową

Taka architektura stanowi bardzo silną barierę chroniącą przed wyciekami.

Sama ta cecha mogłaby uzasadnić tę technologię nawet przy ograniczeniach wydajności w przypadku toksycznych płynów.

Potencjalne zastosowania systemów o zerowym-wycieku
Cyrkulacja płynów magnetycznych jest wciąż w fazie eksperymentalnej, ale pewnego dnia może znaleźć specjalistyczne zastosowania przemysłowe.

Zarządzanie cieczami radioaktywnymi
Systemy nuklearne i radiochemiczne wymagają wysokiej niezawodności obudowy.

„Gdybyś miał zamkniętą pętlę obiegu, ryzyko uwolnienia do środowiska byłoby mniejsze”.

Postępowanie z wyjątkowo toksycznymi chemikaliami
Korzyścią może być wyeliminowanie typowych ścieżek uszkodzeń uszczelnień w procesach zawierających substancje niebezpieczne lub wyjątkowo reaktywne.

Systemy półprzewodnikowe i systemy o wysokiej czystości
Mniejsze wytwarzanie cząstek i ryzyko skażenia w ultra{0}}czystych zastosowaniach.

Systemy kosmiczne i zdalne
Istnieje również możliwość wykorzystania zmniejszonej złożoności mechanicznej w systemach wymagających długiego okresu eksploatacji przy niewielkiej konserwacji.

Problemy z wydajnością cieplną
Sam ferrofluid musi zachować funkcjonalność termiczną i nadal reagować magnetycznie.

Prowadzi to do pewnych problemów inżynieryjnych.

Wybór płynu nośnego
Ciecz nośna powinna zapewniać:

Wystarczająca pojemność cieplna

Kompatybilność chemiczna

Stabilność lepkości

Długoterminowa-zawiesina nanocząstek

Ferrociecz musi być również chemicznie kompatybilna z rurką PTFE i wszelkimi stykami termicznymi po stronie procesu.

Stabilność nanocząstek
W przypadku długich okresów eksploatacji aglomeracja lub sedymentacja cząstek może się zmniejszyć:

Odpowiedź magnetyczna

Wydajność pompy

Spójność przekazywania ciepła

Stabilność zachowania koloidalnego jest nadal ważnym obszarem badań.

Istniejące ograniczenia techniczne
System ten ma elegancką koncepcję, ale obecnie napotyka na poważne trudności inżynieryjne.

Ograniczone możliwości przepływu i ciśnienia 2.
Siły magnetyczne są nadal dość łagodne w porównaniu ze zwykłymi pompami mechanicznymi.

Zatem obecne systemy ograniczają się zazwyczaj do:

Niskie natężenia przepływu

Praca przy niskim ciśnieniu

Rurka o małej średnicy

Zwarte pętle cyrkulacji.

Zadania związane z dużymi przemysłowymi wymiennikami ciepła nadal przekraczają współczesne możliwości.

Straty na sprzężeniu magnetycznym
Transfer siły magnetycznej maleje bardzo szybko wraz z odległością.

Skuteczność sprzęgania jest znacznie zmniejszona z powodu:

Grubość ścianki rurki PTFE

Otwory powietrzne

Infrastruktura wspierająca

Niemagnetyczne materiały dystansowe

Ogranicza to praktyczną siłę, którą można wykorzystać do przemieszczania płynu.

Wyzwania dla efektywności energetycznej
Koszty energii elektrycznej do wytwarzania wirujących pól magnetycznych.

Ogólna wydajność systemu w dużym stopniu zależy od:

Stała sprzężenia magnetycznego

Lepkość ferrocieczy

Geometria obwodu

Wycieki ciepła

Obecnie tradycyjne pompy są na ogół bardziej energooszczędne w przypadku większości zastosowań przemysłowych.

Problemy z kompatybilnością materiałów
Skład chemiczny ferrofluidów musi być zgodny z:

Rurki teflonowe

Płynny nośnik

Stabilizatory nanocząstek

Środowiska operacyjne (termiczne)

Jakakolwiek niestabilność zawiesiny koloidalnej może w dłuższej perspektywie pogorszyć działanie.

Dlaczego technologia pozostaje aktualna
Badania są nadal bardzo ważne, mimo że obecnie istnieją ograniczenia, ponieważ w niektórych zastosowaniach wymagana jest raczej niezawodność hermetyzacji niż wydajność.

Uszczelnienia mechaniczne mogą zapewnić korzyści w zakresie bezpieczeństwa systemów przenoszących bardzo niebezpieczne płyny, których nie można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych pomp.

W niektórych przypadkach korzyść wynikająca z mniejszej liczby konserwacji i zapobiegania wyciekom może być ważniejsza niż zmniejszona wydajność pompowania.

Technologia ta jest również zgodna z większymi trendami przemysłowymi, aby:

Uproszczona architektura sprzętu

Systemy-samobieżne

Oszczędności w utrzymaniu

Moduły procesu zamkniętego

Długotrwałe użytkowanie

Wytyczne dla przyszłych badań
Koncepcje magnetycznego pompowania płynów są nadal rozwijane w kilku bieżących dziedzinach badań.

Należą do nich;

Silniejsze konfiguracje pola magnetycznego

Zaawansowana stabilność nanocząstek

Zoptymalizowane rozmieszczenie rurek PTFE

Hybrydowe układy magnetohydrodynamiczne

Napęd magnetoelektroniczny małej mocy

Wraz ze wzrostem znaczenia systemów przemysłowych o bardzo-wymagających-obsłudze konserwacyjnej, zainteresowanie technologiami obiegowymi bez ruchomych części z pewnością będzie nadal rosło.

Wniosek
Technologia wymiennika ciepła PTFE z płynem magnetycznym i brakiem ruchomych części zapewnia futurystyczną koncepcję w pełni szczelnych systemów cyrkulacji cieplnej napędzanych wyłącznie zewnętrznymi polami magnetycznymi. Urządzenia te mogłyby zapewnić niezawodność hermetyzacji niespotykaną w przypadku płynów niebezpiecznych i-o wysokiej czystości poprzez cyrkulację ferropłynów przez wymienniki PTFE bez wirników, uszczelek i wewnętrznego mechanizmu ruchomego.

Chociaż istniejąca technologia ogranicza się do stosunkowo skromnych zastosowań przepływowych i ciśnieniowych, sama koncepcja jest bardzo atrakcyjna. Chemicznie obojętne rurki PTFE i płyny reagujące magnetycznie umożliwiają tworzenie-szczelnych i odpornych na korozję-pętli termicznych przy drastycznie zmniejszonych wymaganiach konserwacyjnych.

Magnetyczne pompowanie płynów to wciąż nowa i wysoce wyspecjalizowana dziedzina, a mimo to stanowi elegancką odpowiedź na jedno z najstarszych zagadnień w przetwórstwie przemysłowym: bezpieczne przesyłanie szkodliwych płynów. Ostatecznie pompa przyszłości może w ogóle nie mieć ruchomych części.