Magnetic slippery surfaces as effective anti-icing coatings on supercooling heat exchangers

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-12-16
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
83+6
Series
Abstract
This thesis presents and analyzes both theoretically and experimentally the concept of using magnetic slippery surfaces (MAGSS) to create icephobic, supercooling heat exchangers that can potentially allow higher degrees of supercooling to be reached than previously possible. Supercooling heat exchangers can be used for example to produce ice slurry for cold storage or to extract heat from water at near zero degrees via heat pump. However, such uses have so far been limited due to frequent icing when using normal heat exchanger surfaces such as metals. MAGSS surfaces consist of a thin magnetic fluid layer kept in place on a solid surface by a magnetic field. The liquid layer prevents water-solid contact from forming at the surface. In the theoretical section many parameters such as ferrofluid layer height and magnetic susceptibility, solid surface roughness, water flow rate, interfacial energies and gelator properties are identified as factors affecting MAGSS performance in supercooling heat exchangers. The analysis suggests that if an evenly distributed and thick coating can be created, MAGSS both in liquid and gel form should provide an effective anti-icing coating resistant to shear flow at least up to some level. While liquid-MAGSS is much easier to apply as an even coating, gel-MAGSS should offer much better durability both under shear and under gravity and might function better in weak, uneven magnetic fields. In the experimental section it is confirmed that both MAGSS types effectively increase the levels of pure water droplet supercooling achievable before crystallization occurs. However, for natural unfiltered water, the difference between MAGSS and uncoated surface is much smaller. This is likely due to the impurities in the unfiltered water acting as nucleating agents. The preliminary experiments performed on an open channel heat exchanger support the premise that MAGSS should function as an effective heat exchanger anti-icing coating as the maximum achieved supercooling degrees on MAGSS are almost 40% higher than on the uncoated comparisons, while potential for improvements is still significant. However, the sample sizes are still too small for definitive conclusions to be reached on the feasibility of the concept and thus further research is needed.

Tässä työssä esitellään ja analysoidaan sekä teoreettisesti että kokeellisesti magneettisten liukkaiden pintojen (MAGSS) käyttöä jäätä hylkivissä, alijäähdyttävissä lämmönvaihtimissa. MAGSS-pinnoite koostuu ohuesta magneettisesta neste- tai geelikerroksesta, joka pidetään paikallaan magneettisen kentän avulla kiinteän pinnan päällä ja joka estää veden kosketuksen kiinteän pinnan kanssa. MAGSS-pinnoitetut lämmönvaihtimet voisivat mahdollistaa aikaisempaa korkeampien alijäähtymisasteiden saavuttamisen, jolloin esimerkiksi jääsohjon tuottaminen kylmävarastointia varten sekä lämmön talteenotto lähes nolla-asteisesta vedestä lämpöpumpulla voisivat muodostua kannattaviksi. Toistaiseksi näitä sovelluksia ei juurikaan ole toteutettu johtuen veden korkeasta jäätymistaajuudesta tavanomaisilla lämmönvaihdinpinnoilla. Teoreettisessa osiossa identifioidaan monia MAGSS-pinnoitettujen alijäähdyttävien lämmönvaihtimien toimintaan vaikuttavia parametrejä, kuten ferrofluidikerroksen paksuus ja magneettinen suskeptiivisuus, kiinteän pinnan karheus, veden virtausnopeus, pintojen väliset energiat sekä gelaattorin ominaisuudet. Analyysi osoittaa, että nestekerroksen ollessa riittävän tasaisesti levinnyt ja paksu pitäisi MAGSSin sekä neste- että geelimuodossa toimia tehokkaana jäätymisenestopinnoitteena ainakin virtausnopeuksien ollessa matalia. Vaikka neste-MAGSS on helpompi levittää tasaisesti, on geeli-MAGSS kuitenkin kestävämpi sekä suurien virtauksien että huomattavien korkeuserojen vallitessa. Lisäksi geeli-MAGSS saattaa toimia paremmin heikoissa, epätasaisissa magneettikentissä. Kokeellisessa osiossa osoitetaan, että puhtaat vesipisarat saavuttavat neste- ja geeli- MAGSS-pinnoilla korkeamman alijäähtymisasteen ennen jäätymistä verrattuna pinnoittamattomaan verrokkiin. Luonnosta otetulla vedellä ero alijäähtymisasteissa on kuitenkin paljon pienempi, mikä johtuu todennäköisesti luonnonvesien epäpuhtauksista, jotka toimivat kiteytymisytiminä. Avoin kanava -tyyppisessä lämmönvaihtimessa tehtyjen alustavien kokeiden perusteella vaikuttaa siltä, että MAGSS toimii tehokkaasti jäätymistä estävänä pinnoitteena lämmönvaihtimessa myös käytännössä, sillä pinnoitetulla lämmönvaihtimella saavutettiin lähes 40% korkeampi maksimialijäähtymisaste verrattuna pinnoittamattomaan verrokkiin. Pienestä otoskoosta johtuen lopullisia johtopäätöksiä konseptin toimivuudesta ei kuitenkaan voitu vielä tehdä vaan tarvitaan lisää tutkimusta aiheesta
Description
Supervisor
Järvinen, Mika
Thesis advisor
Saari, Kari
Keywords
magnetic slippery surface, anti-icing, supercooling, heat exchanger, ice slurry
Other note
Citation