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Aplicaciones Industriales de los Ferrofluidos Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de San Agustín Cari Cliver, Choque Ángel, Huamani Edson, Ley Kevin, Mendoza Jhon, Mogrovejo Brad, Quispe Alex, Torres Christian y Yana John.
R esumen esumen — las las características y propiedades más resaltantes de los ferrofluidos, y como sus aplicaciones más innovadoras están influyendo en la ingeniería mecánica como es en la amortiguación, transferencia de calor; y adicionalmente en el campo de la medicina como la termoterapia y detección del cáncer con ferrofluidos. Abstrac Abstract t — In this paper we will present a clear definition about ferrofluids, characteristics and properties, as well as innovative applications in the engineering area, for example, in damping, heat transfer; And some additional applications in the field of medicine such as thermotherapy and cancer detection with ferrofluids. Í ndice de de Tér Tér mi nos — Amortiguador, Amortiguador, Ferrofluidos, Fricción, Magnético.
Los ferrofluidos, en contraste con la ilustración mostrada en la Figura 1 , tiene un comportamiento diferente al estar sometido en un medio portador, por tador, ya que presentan unos picos característicos y su movimiento es dependiente de la magnitud y la forma como es afectada por el campo magnético. [2]
Aplicaciones,
I. INTRODUCCIÓN os ferrofluidos son coloides conformados por dos fases: una de estas son las partículas magnéticas, generalmente con un tamaño de 10nm, las cuales están recubiertas en su superficie por elementos tensioactivos, que evitan que dichas dichas partículas se aglomeren por su propiedad magnética; y un líquido portador, que le da características de un fluido. Es necesario mencionar que en estos fluidos el movimiento browniano cumple un papel importante, ya que contribuye con la suspensión de las partículas, lo que también evita que las partículas se aglomeren. Los ferrofluidos al estar conformado por partículas hierro, son también elementos paramagnéticos por lo que responden al estar sometidos a campos magnéticos. [1] [2] [3] A continuación, observaremos el alineamiento de unas partículas magnéticas, sin la presencia de un elemento surfactante (liquido o fase acuosa), sometidas a un campo magnético, considerando las líneas que generan dicho campo.
L
Figura 2. Comportamiento de un ferrofluido sometido a un campo magnético. [2]
II.
CARACTERÍSTICAS
A. Absorción de iones tensioactivos
Las partículas magnéticas tienen el potencial de atraer elementos iónicos tensioactivos en su superficie, este elemento tiene que soportar las fuerzas de repulsión generadas por otros elementos iónicos ubicados también en la superficie de las partículas magnéticas, esta característica contribuye a que las partículas magnéticas se mantengan en suspensión. [3] B. Influencia del campo magnético en la densidad
Los fluidos magnéticos al estar sometidos a un campo magnético, que de acuerdo con las disposiciones y la intensidad de este, se puede conocer pares magnéticos que terminan aumentando la viscosidad del ferrofluido, dicha característica contribuyen en la ingeniería de la lubricación ya que logramos modificar la viscosidad del ferrofluido. [4] [5]
F igura 1. Alineamiento de unas partículas magnéticas, magnéticas, sin la presencia de un elemento surfactante (líquido o fase acuosa), sometidas a un campo magnético, considerando las líneas que generan dicho campo. [1]
C. Flotabilidad
La fuerza de flotabilidad puede también ser dependiente del campo magnético al que está sometido, debido a que un elemento magnético, a través de la gradiente magnética puede llevar el ferrofluido al polo inferior, de tal modo que se
2 equilibren la fuerza gravitatoria del elemento magnético y la presión hidrostática del ferrofluido, y así poder mantener una parte del volumen del elemento magnético en flotación. [6] III.
PROPIEDADES PARA APLICACIÓN INDUSTRIAL
A. Reducción de fricción
La reducción de fricción contribuye a la reducción del contacto entre piezas que trabajan en un mecanismo y eliminan ciertas perdidas por rugosidad, es asi que los ferrofluidos por la propiedad de repulsión de sus partículas magnéticas logran un rozamiento despreciable entre elementos en contacto. [7] B. Amortiguación por ferrofluidos
En el control de vibraciones es importante la utilización de dispositivos de amortiguamiento de fluido viscoso, estos son elementos que aprovechan las propiedades del fluido para proveer una fuerza que contrarreste los efectos de la vibración. La acción del ferrofluido, es que debido a la fluidez del líquido funciona como un material amortiguador elástico en el campo magnético. El amortiguador de ferrofluido consiste en un imán anular sumergido en un cuerpo no magnético cilíndrico lleno de ferrofluido, que se fija en un extremo de una placa elástica. [8] [9] Se utiliza el ferrofluido prospectivamente en el campo de los controles de vibración. Es así que se desarrollan dispositivos de amortiguación, tales como el isolator de vibraciones para la suspensión en vehículos. Sin embargo, la gran disminución de la fluidez del ferrofluido en un campo magnético débil limitará su aplicación en estos campos donde se necesitan fuerzas de amortiguación bajas y tensiones de rendimiento reducidas. [13]
sistemas de enfriamiento modernas, ya que la lubricación liquida podría causar limitaciones térmicas en un sistema. El ferrofluido (frio) es atraído por un elemento magnético con alta temperatura, al cual se tiene que refrigerar, el ferrofluido que entra en contacto superficial con el elemento a refrigerar tiene un cambio de densidad, y por esta variación de densidades el ferrofluido que aun no ha entrado en contacto, que tiene baja temperatura, entra en contacto superficial con el elemento a refrigerar, lograr disminuir la temperatura del elemento a refrigerar. [10] [11] [12] Algunos investigadores en estos últimos años han demostrado que los ferrofluidos pueden usarse para la mejora de transferencia de calor por convección y algunos documentos hablan sobre la conductividad térmica de estos ferrofluidos y su mecanismo de mejora. “El mecanismo de mejora se atribuye a la conducción efectiva del flujo de calor a través de estructuras semejantes a cadenas formadas en el ferrofluido” . [15]
Por ejemplo, el ferrofluido en bobinas de sonido según estudios no solo lubrica, también en conjunto a esto sirve para el enfriamiento; cuando las bobinas trabajan a altas frecuencias tienden a calentarse y puede causar una falla, con el uso de los ferrofluidos se le aplica a la parte vibrante de la bocina y el calor se disipa. [16] [17]. D. Sensor De Temperatura De Alta Precisión
Son dispositivos innovadores que utilizan al aire como fluido de trabajo, aprovechando su coeficiente de expansión volumétrica el cual es mayor que cualquier otro fluido que se usa comúnmente, por lo que la sensibilidad de este termómetro es gran precisión. El dispositivo utiliza el cojinete de ferrofluido sin fricción, que funciona como sello hermético al aire. Esto permite la expansión (contracción) del aire para desplazar el pistón de forma ascendente o descendente. El coeficiente de fricción entre el imán y la estructura de soporte se reduce enormemente a 0,002 utilizando el cojinete de ferrofluido. El Primer termómetro fue desarrollado por el italiano, Santorio, que emplea el agua como fluido de trabajo. En este calentamiento y enfriamiento de agua se utilizó que cambia la presión que resulta en aumento / caída del agua en capilar que se cuantifica para escalar la temperatura. [18]
E.
F igura 3. Diagrama de un amortiguador con ferrofluido. [8] Los amortiguadores con ferrofluidos son dispositivos que pueden cambiar sus propiedades mediante un estímulo magnético, lo cual puede ser aprovechado para proveer una rápida respuesta en el control de vibraciones. [14] C. Transferencia de calor con ferrofluidos
En el ámbito de la trasferencia de calor los ferrofluidos juegan un papel muy importante como un refrigerante para
Sellado Dinámico.
En muchos equipos hay dos o más ambientes diferentes, los cuales tienen que estar herméticamente aislados entre sí, pero algún eje tiene que transportar energía (rotación) de un ambiente en el otro. Por ejemplo, un motor tiene que estar en un lugar abierto, donde puede ser enfriado por el aire ambiente o algunos refrigerantes, mientras que un eje tiene que ir de él a un lugar absolutamente limpio, donde tiene que transmitir energía por medio de revoluciones. Este es el caso, por ejemplo, de los discos duros de las computadoras, que tienen que funcionar en una caja cerrada herméticamente
3 porque cualquier grano de polvo o incluso de humo puede estropear el proceso de lectura y escritura. Por lo tanto, es necesario sellar herméticamente el orificio a través del cual pasa el eje. Esto se consigue haciendo el agujero dentro de un imán (ver Figura 4) y el eje este hecho de material magnético suave. Una ranura en el eje se llena de ferrofluido, que se mantiene en su lugar por el campo magnético, obstruyendo el paso de cualquier impureza, pero dejando el eje libre para girar, porque el material obstructor es líquido. [19] Los ferrofluidos son ampliamente utilizados en la Juntas de eje giratorias. El más simple sería la exclusión utilizada para unidades de discos duros de computadoras. En esta aplicación el eje giratorio acciona el disco de almacenamiento de información que se transmite a través de la lectura y escritura. El disco está muy cerca de la cabeza a 0,0002 cm y puede dañarse si el polvo o el humo las partículas se acumulan debajo de la cabeza. Un sello de ferrofluido garantiza que el disco pueda girar en un lugar limpio. El principio de funcionamiento es el mismo que el del sello de alta presión mostrado en la figura 2. Esto tiene una especificación impresionante y una velocidad de eje de 4500 RPM para una presión diferencial de 470 kPa (68 PSI) a través del sello. El sello está formado por un ferrofluido de baja presión de vapor que este mantenido en posición alrededor del eje del campo magnético. [6]
F.
Termoterapia Y Detección De Cáncer Con El Uso De Ferrofluidos
El ferrofluido es usado para la detección del cáncer y también para un tratamiento de este, llamado termoterapia con el uso de ferrofluidos. Se realizó un estudio para la detección del cáncer, usando un ferrofluido como liquido de contraste, se le inyecta el ferrofluido al paciente por vía intravenosa y esto provoca que las células sanas tomen una tonalidad diferente de las células cancerígenas y así poder detectarlas. En algunas investigaciones se trabajó con pacientes con cáncer de colon extrayéndoles sangre y conservando el material de estudio a temperatura ambiente durante un tiempo aproximado de 72 horas para luego añadirle a una proporción de sangre un ferrofluido con partículas inmunomagnéticas con anticuerpos que se unen a las moléculas de adhesión epitelial. Las células aisladas se tiñen con fluorescencia para luego ser analizadas mediante parámetros. En este análisis se verán células que se verifiquen como CTC (Células Tumorales Circulantes) ya que con la detección del CTC podría tener importantes implicaciones pronosticas y terapéuticas. En cuanto a la Termoterapia se le aplica ferrofluidos al paciente por vía intravenosa, estos ferrofluidos pueden ser manejados magnéticamente hacia los tejidos o hacia las células cancerígenas y se depositan en ellos mediante la alta permeabilidad de estos tejidos, luego los calientan a una alta frecuencia alterando su campo magnético y produciendo la muerte de esta célula o tejido cancerígeno calentándolo a una temperatura ideal de 56 grados al menos 30 minutos , manteniendo las células y tejidos sanos por menos de 41 grados. Los investigadores usaran este método para el análisis de células cancerígenas diferentes. [20] I.
F igura 4. Sello dinámico creado por Raj y Moskowitz. [19] II.
III.
IV. CONCLUSIONES Ofrecen una alternativa en el campo de la amortiguación, ya que tiene un sistema menos complejo y con un rendimiento similar a los contemporáneos Es necesario hacer investigaciones para conocer las cargas y presiones a las cuales puede estar sometido el ferrofluido, asi como para mejorar la hermeticidad en sistemas delicados de gran escala. Las aplicaciones industriales de ferrofluidos aumentan conforme se realizan investigaciones en distintos campos de la ciencia.
V.
F igura 5. Sello de eje giratorio fabricado por Ferrofluidics Corporation, EE. UU. [6]
REFERENCIAS
[1] P. S. Rodriguez, Propiedades magnticas de los Ferrofluidos, 2006, pp. 1-3.
4 [2] H. K.-K. y Y. , Characteristics of Magnetic and MR Fluids Flows, 2015. [3] P. Barbeito, M. Carrá y M. Sarlinga, Ferrofluidos,
[18] S. Pathak, K. Jain, Noorjahan, V. Kumar y R. Pant, «Magnetic Fluid Based High Precision Temperature Sensor,» IEEE Sensors Journal, 2016.
Buenos Aires, 2009, p. 11. [4] M. P. A. Y. S. Odenbach, Rheological properties of magnetic fluids and their microstructural
[19] C. Scherer y A. M. Figueiredo Neto, «Ferrofluids: Properties and Applications,» Brazilian Journal of Physics, vol. 35, nº 3A, pp. 718-727, 2005.
background, pp. 196-197. [5] F. Rodriguez , Amortiguadores Magnetoreologicos, p. 50. [6] J. Popplewell, «Technological Applications of Ferrofluid,» Phys. Technol., vol. 15, pp. 150-156, 1984. [7] P. N. D. y D. G. M., Shiliomis model based ferrofluid lubrication of a rough, porous parallel slider bearing with slip velocity. [8] C. J.D. y C. M.J., Magnetorheological fluid dampers. [9] C. J.D., C. D.M. y C. K.A., Commercial magnetorheological. [10] R. K., M. R. y M. J., Commercial application of ferrofluid. [11] S. C., Ferrofluid: properties and applications. [12] A. B., A. A., B. S. y P. N., Magnetic fluid and their use in transducers, 2006, pp. 44--47. [13] R. K. y M. R., A review of damping applications of ferro fl uids. [14] M. A., Feasibility study and model development for a ferro fl uid viscous, 1967. [15] Philil, Mejora de la conductividad termica en nanofluido basado en magnetita debido a las estructuras semejantes a cadenas, 2007. [16] Application to power electronics cooling, Experimental Investigacion on Heat Transfer Enhancements in Laminar Flow with Ferrofluids. [17] C. H. I. Olmos, d. C. M. M. Dulce , S. M. Robles y O. J. L. Escutia, Aplicaciones diversas de los Ferrofluidos, 2015.
[20] M. Vidaurreta, J. Sastre, T. Sanz-Casla, M. L. Maestro, S. Rafaela y E. Diaz-Rubio, Detección y cuantificación de células tumorales en sangre periférica en pacientes con cáncer de colon.
