Stor økning i kjøleytelse ved bruk av ferrofluider

48 norske forskningsinstitutter mottar statlig basisfinansiering. SINTEF Energi AS er et av disse instituttene. Basisfinansieringen brukes til aktiviteter som bidrar til langsiktig kunnskapsutvikling og er med på å utvikle fremtidens forskningsområder. Her er et eksempel på et prosjekt som er finansiert gjennom basisfinansieringen: NanoHX. Prosjektet avsluttes i 2015. 

De siste to årene har vi på SINTEF Energi studert et konsept for å forbedre kjølesystemer ved å bruke magnetiske nanofluider, også kalt ferrofluider. Ferrofluider er væsker som er tilsatt ekstremt små, magnetiske partikler. Ferrofluider kan gjøre offshore vindmøller og subseafabrikker rimeligere å bygge, mer robuste og enklere å vedlikeholde.

Vi har skrevet om prosjektet og konseptet før:

• Transporterer varme med magneter
• Nanoteknologi kan gjøre både vindturbiner og subseafabrikker billigere og bedre

Sammenlignet med vanlige væsker har ferrofluider to egenskaper som gjør dem spesielt egnet som kjølevæsker:

1. De kan påvirkes av magnetfelt, noe som kan utnyttes for å lage noe som kalles en termomagnetisk pumpe.
2. Ferrofluider har økt termisk konduktivitet.

Les mer om NanoHX-prosjektet her.

Oppløftende resultater

I løpet av prosjektet har vi utviklet matematiske modeller og et beregningsprogram som gjør oss i stand til å beregne hvor mye vi kan tjene på å bruke ferrofluider sammenlignet med referansefluider. Modellene og koden vi bruker har vi beskrevet i en artikkel som nylig ble publisert.

Vi har brukt modellene og koden for å regne på varmetransports-ytelsen til et passivt kjølesystem. Det vil si, vi bruker en kjølesløyfe som forbinder en varmekilde med et kuldesluk. Med et vanlig fluid drives strømningen av naturlig konveksjon, helt uten noen bevegelige deler. Om vi setter inn en elektromagnet over varmekilden og bruker ferrofluider vil vi få en økt varmetransport-ytelse både fra den økte termiske konduktiviteten, og fra den termomagnetiske pumpen, fremdeles uten bevegelige deler.

Det er viktig å bemerke at formen og plasseringen på elektromagneten og størrelsen på partiklene til ferrofluidet har mye å si for resultatene. Vi har derfor utviklet designregler for å finne optimal form på elektromagneten og en optimal størrelse på partiklene. Optimaliseringen gjøres med restriksjoner, som blant annet at vi må bruke vanlige partikkelstørrelser og at elektromagneten må passe inn rundt strømningssløyfen ved varmekilden.

Resultatene fra beregningene er oppløftende: Kjøleeffekten med ferrofluider kan bli opptil 4 ganger så stor sammenlignet med naturlig konveksjon med vanlige fluider. Selv uten elektromagneten ser vi forbedringer på rundt 50%, altså en forbedring utløst utelukkende av at vi tilsetter nanopartikler.

Resultatene fra beregningene er oppløftende: Kjøleeffekten med ferrofluider kan bli opptil 4 ganger så stor sammenlignet med naturlig konveksjon med vanlige fluider.

Vil fortsette for å tette kunnskapshull

Disse resultatene underbygger noe som allerede er godt kjent i den vitenskapelige litteraturen, altså at nanofluider og ferrofluider kan brukes for å få signifikant forbedret varmetransport.

I fremtiden ønsker vi å fortsette dette arbeidet ved å gjøre flere beregninger på mer realistiske systemer, samt å gjøre eksperimenter som kan besvare enkelte kunnskapshull. Resultater fra eksperimenter vil også være nyttige for å verifisere at modellene vi regner på er nøyaktige nok.