磁場(chǎng)作用下納米磁流體熱管傳熱速率的研究

張?jiān)品? 張英才, 王新華, 爨璋瑜

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410076)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展,能源需求增大與能源供應(yīng)緊張的矛盾日益突出.熱管因其在節(jié)約能源和新能源開發(fā)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到廣泛重視.目前,世界上熱管換熱器的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了以下進(jìn)展:(1)用熱管換熱器回收工業(yè)排氣中的余熱;(2)用熱管或熱管換熱器帶走大功率電子原件或電子儀器散發(fā)的熱量;(3)作為利用自然能源的換熱器;(4)作為化學(xué)反應(yīng)的換熱器設(shè)備[1].提高熱管的傳熱性能并開發(fā)出傳熱效率更高的熱管是目前熱管技術(shù)發(fā)展的方向和任務(wù).

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):自激振蕩流熱管內(nèi)Cu-水納米流體的傳熱具有一定的特殊性;在一定條件下,納米流體可以起到強(qiáng)化傳熱的作用[2],且水經(jīng)磁化后表面張力明顯下降,磁通量密度的增加與水表面張力的下降呈波動(dòng)關(guān)系,當(dāng)磁通量密度增加到一定程度時(shí),水表面張力的下降反而減緩[3-4].

吳松海等[5]的研究發(fā)現(xiàn):在實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)的影響下,水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)最大值比無磁場(chǎng)作用下增大10%,但同時(shí)水蒸氣的冷凝傳熱系數(shù)因受磁場(chǎng)的影響而減小;在施加磁場(chǎng)后蒸餾水的蒸發(fā)速率是無磁場(chǎng)時(shí)的1.1倍,同時(shí)蒸發(fā)速率隨著磁通量密度的增加而增大,當(dāng)磁通量密度保持不變時(shí),蒸餾水的蒸發(fā)速率隨著溫度的上升而增大[6].

張?jiān)品宓萚7]的研究發(fā)現(xiàn):在相同的磁通量密度和熱流密度下,油的升溫速率比水大,但隨著磁通量密度的增加和磁化時(shí)間的延長(zhǎng),油和水的升溫速率均明顯增大.趙猛等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):在磁場(chǎng)作用下,磁流體的黏度會(huì)增大,且黏度的大小與磁場(chǎng)作用的時(shí)間有關(guān);當(dāng)磁場(chǎng)作用達(dá)到一定時(shí)間后,磁流體的黏度便達(dá)到穩(wěn)定值.

綜上所述,利用磁流體和磁場(chǎng)來強(qiáng)化傳熱具有重要的科學(xué)研究意義.鑒于熱管具有很強(qiáng)的傳熱特性以及磁場(chǎng)可以提高液體的導(dǎo)熱性能,筆者提出通過實(shí)驗(yàn)中的外加磁場(chǎng)作用來強(qiáng)化納米磁流體真空熱管的傳熱性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 磁性納米流體的配制

1.1.1 制備原料

磁性材料:純Fe3O4顆粒,粒徑為5～8μm,中國(guó)醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn).

納米材料:納米級(jí)Fe3O4顆粒.

分散劑:十二烷基苯磺酸鈉(SDBS),分析純,天津市博迪化工有限公司生產(chǎn).

表面活性劑:油酸,化學(xué)純,上海山浦化工有限公司生產(chǎn).

1.1.2 制備流程

圖1為磁流體和納米流體制備流程示意圖.在實(shí)驗(yàn)中,配制了水基、煤油基和酒精基3種Fe3O4磁流體,并對(duì)這3種Fe3O4磁流體樣品進(jìn)行了靜置穩(wěn)定性分析測(cè)試.將制備得到的不同基液磁流體樣品在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上靜置10天,如不出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,即說明樣品的穩(wěn)定性良好.靜置后,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn):煤油基和酒精基Fe3 O4磁流體出現(xiàn)明顯的分層,水基Fe3O4磁流體的懸浮性良好,沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象,說明煤油基和酒精基磁流體的配置實(shí)驗(yàn)失敗,而實(shí)驗(yàn)配置的水基磁流體穩(wěn)定性良好.圖2為3種試樣的穩(wěn)定性對(duì)比照片,圖中樣品從左到右依次為水基、酒精基和煤油基.

圖1 磁流體和納米流體制備流程示意圖Fig.1 Preparation chart of magnetic and nano-magnetic fluid

圖2 3種試樣的穩(wěn)定性對(duì)比Fig.2 Stability comparison of three test samples

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)主要包括真空熱管、加磁螺旋線圈、直流調(diào)壓器、計(jì)算機(jī) Labview溫度采集系統(tǒng)以及多路熱電偶巡檢儀.圖3為熱管傳熱特性試驗(yàn)原理示意圖.在圖 3中,紫銅熱管外徑為 16 mm、長(zhǎng)為1 000mm,外部采用PVC管制套管式換熱器.為防止換熱器向外散熱,在換熱器外表面包了一層厚度為28 mm的福樂斯柔性泡沫橡塑保溫材料,并在保溫材料外纏繞了一層錫箔紙,以減弱換熱器與外界的輻射傳熱.

圖3 熱管傳熱特性試驗(yàn)原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the heat transfer performance test for heat pipe

實(shí)驗(yàn)時(shí),提供熱水的恒溫水箱保持90℃水溫,冷卻水和熱水的流量均由流量計(jì)測(cè)量,采用調(diào)壓器給螺旋線圈供電進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng),換熱器進(jìn)出口的溫度值由熱電阻溫度計(jì)測(cè)量.進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由巡檢儀直接采集.

2 數(shù)學(xué)模型

在換熱器中,任取一微元段d1,對(duì)應(yīng)于間壁的微元傳熱面積d A0,熱流體對(duì)冷流體傳遞熱量的微分傳熱速率方程為:

式中:K′為局部傳熱系數(shù),W/(m2?℃);t h、t c分別為熱流體和冷流體的局部平均溫度,℃;d A0為對(duì)應(yīng)于間壁的微元傳熱面積,m2.

由于換熱器內(nèi)冷、熱流體的溫度和物性均是變化的,因而在傳熱過程中的局部傳熱溫差和局部傳熱系數(shù)也都是變化的.但在工程計(jì)算中,在沿程溫度和物性變化不是很大的工況下,通常傳熱系數(shù)K和傳熱溫差Δt均可采用整個(gè)換熱器上的積分平均值.因此,對(duì)于整個(gè)換熱器,傳熱速率方程可寫為:

式中:K為總平均傳熱系數(shù),簡(jiǎn)稱總傳熱系數(shù)或傳熱系數(shù),W/(m2?℃);A為換熱器的總傳熱面積,m2;Δt m為冷熱流體的平均傳熱溫差,K.

由于蒸發(fā)段換熱器會(huì)向外界環(huán)境傳熱,而且傳熱量無法計(jì)算,所以熱管傳輸?shù)臒崃髁堪蠢鋮s水帶走的熱量計(jì)算.即在加熱段條件相同、冷卻水流量一定、熱管工作穩(wěn)定的工況下,對(duì)每根熱管每隔5 s讀取1組加熱水和冷卻水的進(jìn)、出口溫度值.

熱管的傳熱速率計(jì)算公式為:

式中:Q為熱管單位時(shí)間的傳熱量,W;c為冷卻水的比熱容,J/(kg?℃);G為冷卻水的流量,kg/s;t進(jìn) 、t出 分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度,℃.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,求出對(duì)應(yīng)的熱管傳熱速率值,進(jìn)而得到熱管在該外界工況下的平均傳熱速率值,并利用OriginPro 8軟件繪出傳熱速率與時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度的分析圖.

3 結(jié)果與分析

以水基真空熱管作為參考,分別對(duì)磁流體真空熱管和納米磁流體真空熱管在有、無外加磁場(chǎng)、不同種類以及不同強(qiáng)度外加磁場(chǎng)作用下的傳熱特性進(jìn)行了測(cè)試.

3.1 無磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管的傳熱特性分析

圖4為無磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨時(shí)間的變化.從圖4可知:在無磁場(chǎng)作用下,納米磁流體和磁流體真空熱管的傳熱速率均比水工質(zhì)真空熱管大得多,取平均值計(jì)算,二者分別比水工質(zhì)真空熱管大18.7%和14%,這主要由于受到納米磁流體和磁流體中含有固體顆粒和表面活性劑的影響:固體顆粒間的碰撞增大了流體的導(dǎo)熱系數(shù);表面活性劑降低了液體的表面張力,有助于液體沸騰汽化核心數(shù)的增加.

圖4 無磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨時(shí)間的變化Fig.4 H eat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.time,without outer magnetic field

3.2 直流磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管的傳熱特性分析

圖5為直流磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨磁通量密度的變化.從圖5可知:在直流磁場(chǎng)作用下,3根熱管的傳熱速率均有提高,且隨著直流磁通量密度的增加,傳熱速率也不斷提高.另外,隨著磁通量密度的增加,納米磁流體真空熱管傳熱速率的提高幅度最大,其次是磁流體真空熱管,二者都比水工質(zhì)真空熱管傳熱速率的提高幅度大.這主要是由于在蒸發(fā)段直流磁場(chǎng)的作用下,納米磁流體和磁流體的表觀密度增大,強(qiáng)化了磁性液體的自然對(duì)流傳熱;在冷凝段,由于靜態(tài)直流磁場(chǎng)對(duì)其相擴(kuò)散起到了促進(jìn)作用,因而加速了蒸汽的凝結(jié).直流磁場(chǎng)在蒸發(fā)段和冷凝段的共同作用下強(qiáng)化了熱管的傳熱.

圖5 直流磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨磁通量密度的變化Fig.5 Heat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.flux density,with outer DC magnetic field

3.3 交流磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管的傳熱特性分析

圖6為交流磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨磁通量密度的變化.從圖6可知:在交流磁場(chǎng)作用下,3種工質(zhì)真空熱管的傳熱速率均有不同程度的提高;但是隨著交流磁通量密度的不斷增加,3根熱管的傳熱速率出現(xiàn)先提高后降低的現(xiàn)象,即在0.000 7 T的時(shí)候出現(xiàn)峰值.

圖6 交流磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨磁通量密度的變化Fig.6 Heat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.flux density,with outer AC magnetic field

在實(shí)驗(yàn)中,所施加的交流磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向每秒改變50次,這種磁場(chǎng)有很強(qiáng)的浸透能力,可使流體受到磁場(chǎng)力的作用,且這種磁場(chǎng)力又與流體溫度場(chǎng)密切相關(guān).一般,因溫度變化使磁場(chǎng)力發(fā)生改變而引起的流體流動(dòng)稱為熱磁對(duì)流,熱磁對(duì)流的存在加強(qiáng)了蒸發(fā)段內(nèi)的自然熱對(duì)流[9].但是,可能由于磁場(chǎng)方向在不斷地極速改變,磁場(chǎng)力的方向也在不斷改變,熱磁對(duì)流的強(qiáng)度不會(huì)一直提高,而是隨著磁通量密度的增加有一個(gè)峰值,所以交流磁場(chǎng)強(qiáng)化熱管傳熱也有峰值.

3.4 梯度磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管的傳熱特性分析

圖7為梯度磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨磁通量密度的變化.從圖7可知:在梯度磁場(chǎng)作用下,3根熱管的傳熱速率均有不同程度的提高,但提高幅度都不大:納米磁流體真空熱管傳熱速率提高4.9%,磁流體真空熱管傳熱速率提高4.3%,而水工質(zhì)熱管只有3.4%.其原因?yàn)?一方面,梯度磁場(chǎng)能在一定程度上增大磁性流體的表觀密度,進(jìn)而強(qiáng)化磁性液體的自然對(duì)流傳熱;另一方面,處于不均勻梯度磁場(chǎng)中的流體也同樣存在熱磁對(duì)流,進(jìn)而加強(qiáng)了蒸發(fā)段內(nèi)的自然對(duì)流.

圖7 梯度磁場(chǎng)作用下不同工質(zhì)真空熱管傳熱速率隨磁通量密度的變化Fig.7 H eat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.flux density,with outer gradient magnetic field

4 結(jié) 論

(1)直流磁場(chǎng)、交流磁場(chǎng)和梯度磁場(chǎng)均能提高各種工質(zhì)真空熱管的傳熱速率,納米磁流體熱管優(yōu)于磁流體熱管和水工質(zhì)熱管.

(2)在交流磁場(chǎng)作用下,不同工質(zhì)真空熱管的傳熱速率均有不同程度的提高,且有峰值.交流磁場(chǎng)在0.000 7 T左右時(shí),熱管傳熱速率達(dá)到最大值,以后隨著磁通量密度的繼續(xù)增加,熱管傳熱速率反而有所下降.

(3)在梯度磁場(chǎng)作用下,不同工質(zhì)真空熱管的傳熱速率提高幅度不大.在0.005 T梯度磁場(chǎng)作用下,水工質(zhì)、磁流體和納米磁流體真空熱管的傳熱速率分別提高 3.4%、4.3%和4.9%.

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