К настоящему времени вполне апробированы технические устройства (муфты, тормоза, амортизаторы, управляемые магнитным полем), в которых магнитные жидкости используются в качестве рабочего тела [4]. Но данные механизмы работают при температуре 60-80 °С, поэтому важно знать, как поведет себя магнитная жидкость при еще большем росте температуры, в том числе, когда начинаются процессы кипения [5, 6, 7-10]. Для этого необходимо рассчитывать значения эффективной вязкости, теплоемкости и теплопроводности магнитных жидкостей.
В ранних работах температурная зависимость вязкости магнитных жидкостей, которые были первоначально разбавлены, считалась эквивалентной зависимости вязкости жидкости-носителя от температуры. Это было связано с первой физической моделью магнитной жидкости, которая описывала поведение жидкого магнетика с независящей от величины поля вязкостью. Однако не были учтены важные моменты. Во-первых, в жидкой основе растворён некоторый объём поверхностно-активного вещества, «искажающего» ее переносные свойства. Во-вторых, вязкость магнитной жидкости зависит от ряда механизмов трения, которых нет в однородной жидкости. Их влияние на эффективную вязкость, в свою очередь тоже зависит от температуры. Угловая скорость каждой частицы равна нулю и действующий момент сил трения изменяет слой поверхностно-активного вещества. Таким образом зависимость вязкости от температуры магнитной жидкости в магнитном поле становится ближе к температурной зависимости вязкости ПАВ, чем при течении в отсутствие магнитного поля.
Опыты по измерению вязкости [4] подтвердили высказанные выше соображения: зависимость вязкости от температуры, которая соответствует линейному для концентрированных магнитных жидкостей отличается от температурной зависимости вязкости среды-носителя. Вязкость магнитной жидкости на основе керосина в интервале температур – 40-30 °C может быть довольно удовлетворительно описываться формулой Андраде:
(1)
При измерении температурной зависимости вязкости близких по характеристикам магнитных жидкостей на основе керосина в интервале t = 20-80 °C получены значения E = 17,54 кДЖ/моль, B = 5,58·10-3 МПа·с (З. Гропсиан (Z. Gropsian). В таком же интервале температур вязкость олеиновой кислоты и керосина, выступающего в качестве среды-носителя, и описывается зависимостью (1) при Eк = 12.74 кДж/моль, Bк = 8,45·10-3 МПа·с и Eо.к = 21,95 кДж/моль, Во.к = 3,84·10-3 МПа·с соответственно.
Анализ данных, которые получены для магнитных жидкостей, выявил достаточно выраженную зависимость Е и В от уровня исследованного температурного интервала. Обычно, погрешность зависимости вязкости от температуры, которая выражается формулой (1) сильно увеличивается у границ. Это удается избежать при обработке экспериментальных данных зависимостью:
(2)
В таком случае относительная погрешность оказывается в несколько раз ниже оставалась на уровне 2 % в интервале Т = 290-350 К температур. Для сравнения результатов следует формулу (1) преобразовать к виду:
(3)
где ηₒ = η(Тₒ); α = lnK (K – отношение вязкостей ηₒ/η(T → ∞)); Tₒ – характерная температура; n – константа.
Из формул (2) и (3) можно получить значения для следующих величин, входящих в формулу:
(4)
При обработке известных данных вязкости с помощью соотношения (4) получены предельные значения для коэффициентов: К = 3-20; n = 1-3,5 при Тₒ ≈ 293 К. Магнитные жидкости со средней концентрацией твердой фазы без магнитного поля не проявляют неньютоновских свойств. При включении магнитного поля наблюдается зависимость вязкости и от температуры, и от величины скорости сдвиговой деформации.
Таким образом, в небольших полях оба механизма определяющие вязкость проявляются при одинаковых скоростях сдвиговой деформации и выделить действия этих механизмов по отдельности не представляется возможным. С ростом поля растут и скорости сдвиговой деформации, при которых отсутствует вращательная вязкость. Одновременно, та часть области γ, где агрегатирование оказывает сильное влияние на течение, очень мала: γ ˂ 10³с¹ . В больших полях (Н ~ 10³ А/м) и при высоких скоростях сдвиговой деформации (γ > 10³с¹) позволяют определить температурную зависимость вращательной вязкости.
Наличие твердой фазы в магнитной жидкости приводит к увеличению теплопроводности, так как теплопроводности магнетита превышает на порядок теплопроводность жидкости-носителя. Известно, что при комнатной температуре теплопроводность магнетита λм, равен 10 Вт/ (м·К), а масла всего лишь 0,13 Вт/ (м·К). Сведения о влиянии магнитного поля на теплопроводность магнитных жидкостей в малых полях не обнаружено.
Вероятно, первая формула для вычисления теплопроводности коллоидов была получена Б.М. Тареевым (1940) по аналогии с расчетами в электрических полях:
, (5)
где λₒ и λм – коэффициенты теплопроводности жидкой фазы и твердой фазы.
Зависимость теплопроводности магнитной жидкости от температуры зависит от концентрацией твердой фазы, λм(t) которая отличается от λₒ(t) жидкой фазы. Обобщение известных экспериментальных данных говорит о том, что с увеличением температуры наблюдается линейное снижение коэффициента теплопроводности магнитных жидкостей. Так ка, что температурные коэффициенты жидкой и твердой фаз отличаются, коэффициент теплопроводности магнитной жидкости с ростом температуры все меньше отличается от λₒ: от 30 % при комнатной температуре до 17 % при 90 °С.
Наши эксперименты по изучению влияния магнитных полей на теплообмен магнитных жидкостей учитывали, известные теплофизические подходы, описанные выше [4]. При этом методика эксперимента заключалась в следующем. Методика эксперимента по изучению влияния магнитного поля на теплообменные процессы магнитной жидкости на немагнитной пластине заключала в следующем. На нагреватель подается напряжение, одновременно с этим включаются катушки, создающие магнитное поле определенной величины на теплоподводящей поверхности, его значение остается постоянным в ходе каждого отдельного эксперимента. Параллельно с этим происходит запись сигнала с термопар при помощи компьютера оснащенного платой аналого-цифрового преобразователя.
Термопары, установленные вдоль теплоподводящего стержня, регистрируют температуры T1 и Т2. Изменение температур в ходе процесса нагрева пластины и ее охлаждения магнитной жидкостью записываются при помощи программного комплекса. Этот эксперимент позволяет изучать теплообмен в магнитной жидкости при температуре кипения.