自然對流磁制冷工作原理及影響因素試驗(yàn)研究

曾國剛 陳云貴 王寶木 唐永柏 巫江虹

(1四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 成都 610064)

(2華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640)

自然對流磁制冷工作原理及影響因素試驗(yàn)研究

曾國剛1陳云貴1王寶木1唐永柏1巫江虹2

(1四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 成都 610064)

(2華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640)

試驗(yàn)研究了自然對流磁制冷樣機(jī)工作原理的可行性以及換熱過程的影響因素。試驗(yàn)在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行，試驗(yàn)件是背面粘有錳銅加熱絲的鋁板。通過調(diào)節(jié)加熱絲上的電壓，調(diào)節(jié)熱流量，來模擬磁制冷樣機(jī)中工質(zhì)的磁化過程。制冷工質(zhì)相當(dāng)于多個(gè)豎直矩形窄通道構(gòu)成的圓環(huán)。試驗(yàn)件間隙分別為1.5、2.5、5和10 mm，寬為40 mm，高為50 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明:板間距的大小對換熱性能有很大影響，較小的板間距能很好的提高換熱性能;板高與板間距之比對換熱性能也有較大影響，較大的板高-板間距比可以得到較大的傳熱系數(shù);自然對流磁制冷樣機(jī)的工作原理是可行的。

磁制冷 自然對流 換熱 板間距

1 引言

由于流體各部分溫度不同而造成密度不同引起流體的流動(dòng)稱為自然對流［1］。流體自然流動(dòng)與壁面間的換熱稱為自然對流換熱。自然對流換熱按流體流動(dòng)是否受到干擾可分為兩大類:大空間自然對流換熱和有限空間(小空間)自然對流換熱。

磁制冷是一種高效、環(huán)保的制冷技術(shù)［2-3］。磁制冷技術(shù)以磁熱效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過工質(zhì)的磁化、退磁以及換熱流體和工質(zhì)的熱交換實(shí)現(xiàn)制冷［4］。磁制冷樣機(jī)中換熱流體和工質(zhì)的換熱大多采用強(qiáng)制對流的方式，即換熱流體在外力的作用下流過工質(zhì)區(qū)與工質(zhì)進(jìn)行換熱［5-7］。強(qiáng)制對流換熱系數(shù)相對較大，但是流體流過工質(zhì)需要驅(qū)動(dòng)力，這在一定程度上會(huì)降低系統(tǒng)的制冷效率。本課題組在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自然對流磁制冷樣機(jī)。在該自然對流磁制冷樣機(jī)工質(zhì)(圖1)中，換熱流體(水)與工質(zhì)之間的換熱屬于有限空間自然對流換熱。許多學(xué)者對磁制冷樣機(jī)中工質(zhì)與換熱流體之間的換熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)［8-9］和數(shù)值模擬［10-11］，但是很少有學(xué)者研究自然對流磁制冷樣機(jī)中換熱流體與工質(zhì)間的換熱特性。Elenbaas［12］最早對豎直等截面內(nèi)的自然對流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，他的研究結(jié)果被后來的很多研究者參考。本文通過電加熱的方式模擬自然對流磁制冷樣機(jī)中工質(zhì)的磁化過程，驗(yàn)證了自然對流磁制冷樣機(jī)工作原理的可行性。

圖1 工質(zhì)平面圖Fig.1 Ichnography of magnetic refrigerant

2 試驗(yàn)裝置與過程

試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)件為板間距δ可調(diào)(1.5、2.5、5、10 mm)，寬 a 為40 mm，高 H 為50 mm，厚度可以忽略的兩塊鋁板。用鋁板來模擬磁工質(zhì)的原因是:用磁場來使磁工質(zhì)磁化、退磁的真實(shí)的磁制冷過程，一種磁體只能作一個(gè)加熱等級，要改變加熱功率，必須重新做磁體，麻煩且投資大。用繞有加熱絲的鋁板作試驗(yàn)件，改變加熱功率非常方便。但是，由于用電加熱的方式只能模擬工質(zhì)的磁化過程，而且工質(zhì)的退磁和磁化是“對稱”的過程，所以本文只對工質(zhì)的磁化過程進(jìn)行研究。

測量板溫的熱電偶用Ф0.12 mm的銅-康銅絲制成，熱接點(diǎn)埋在鋁板的板中央(鋁板上鉆有Ф2 mm的凹坑，將熱接點(diǎn)放于其中，并用鋁絲將其壓緊)。溫差熱電偶接點(diǎn)粘在板中央距壁面0.6—0.8 mm的地方，以測量該處流體與板面的溫度差。圖2上所示的熱電偶，T1是埋在鋁板中，測出的溫度是板溫(Tw)，T2粘帖在距板表面0.6—0.8 mm處，它是溫差熱電偶，測出的溫度表示該處流體與板表面的溫度差，T3熱電偶放在兩板中間，測出的溫度為流體的溫度。在這里需要另加說明，對δ=1.5 mm的有限空間來說，T2測點(diǎn)既在板面附近，也近似在兩板的中間，此種情況，T2測出的溫度，即為主流流體的溫度。而對于較大的板間距(δ＞1.5 mm)，T2測出的溫度，處于T1、T3之間，可能是在流體邊界層附近，可稱為膜溫，用T m表示。在試驗(yàn)時(shí)，還測量了離板面較遠(yuǎn)處的溫度(室溫)，在試驗(yàn)過程中沒有太大變化，用T∝表示(圖中未表示出)。(T3是放在兩板之間的中心處的熱電偶，由于板間距δ要經(jīng)常調(diào)節(jié)，所以固定不太好，在流體流動(dòng)沖刷下，有點(diǎn)微動(dòng)，所以測出的溫度值穩(wěn)定性也稍差，只作參考值，其數(shù)據(jù)未正式應(yīng)用。)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及誤差分析

圖2所示的試驗(yàn)裝置裝配好以后，連接好電源及二次測溫儀器。前述工作準(zhǔn)備好后，將試驗(yàn)件放在容積約為20 L的水槽中，檢查各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的情況，無誤，即可開始試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖1，2.試驗(yàn)件;3，4.錳銅加熱絲;5.開關(guān);T1，T2，T3.熱電偶。Fig.2 Diagram of experimental apparatus

試驗(yàn)時(shí)，先把記錄儀調(diào)好，使處于工作狀態(tài)。然后，通過調(diào)壓器分檔給試驗(yàn)件提供加熱功率，記錄儀即自動(dòng)記錄下不同加熱功率對應(yīng)的溫度值。加熱功率需要整理計(jì)算有關(guān)量:錳銅加熱絲3電阻值46.1 Ω(含萬用表接線)，加熱絲4為46.5 Ω，近似取絲3阻值等于絲4阻值，為46 Ω。試驗(yàn)板的面積:A=40 mm×50 mm=2×10-3m2。

式中:Tw為板溫，K;Tref為流體參考溫度，K。

在試驗(yàn)過程中，電源用調(diào)壓變壓器供電，用數(shù)字電壓表測量電壓，測量誤差約為2%。熱電偶的二次表用多筆記錄儀記錄。熱電偶(T1，T2，T3)用恒溫水浴鍋校準(zhǔn)，測試結(jié)果可以精確到0.1 K，誤差低于5%。

由于電壓和溫度測量的誤差都在允許范圍內(nèi)，所以計(jì)算所得的熱流密度(q)和傳熱系數(shù)(h)的誤差也是可以接受的(低于5%)，即測試結(jié)果是可信的。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 板間距對換熱性能的影響

圖3給出了板間距δ對傳熱系數(shù)的影響。從圖中可以看出，隨著加熱速率的增大，傳熱系數(shù)總體來說也有相應(yīng)的增大。當(dāng)板間距較大時(shí)(δ=5，10 mm)，傳熱系數(shù)隨加熱速率變化不大，達(dá)到某一值后基本保持不變;當(dāng)板間距較小時(shí)(δ=1.5，2.5 mm)，傳熱系數(shù)隨加熱速率變化很大，當(dāng)達(dá)到某一臨界值后繼續(xù)增大加熱速率，傳熱系數(shù)有減小的趨勢。減小的原因可能是:板間距較小時(shí)，加熱速率增大，流體流速迅速增大，阻力增加，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低。在某一確定的加熱速率下，傳熱系數(shù)隨著板間距的減小而增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:加熱時(shí)，兩板附近的流體同時(shí)上升，速度和溫度場相互促進(jìn)，且隨著板間距的減小，這種促進(jìn)效果進(jìn)一步增強(qiáng)?？偟膩碚f，板間距較小時(shí)的換熱性能明顯優(yōu)于大的板間距。

圖3 板間距(δ)對傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Effects of gap depth on the heat transfer coefficient

4.2 H/δ對換熱性能的影響

圖4表示δ=1.5 mm時(shí)，H/δ對換熱性能的影響。H/δ=33.5表示將試驗(yàn)板豎放(高H=50 mm，H/δ=26.7表示將試驗(yàn)板橫放(高H=40 mm)。從圖中可以看出，對于不同的H/δ值，加熱速率對傳熱系數(shù)的影響效果大致相同，即傳熱系數(shù)隨加熱速率增大而增大，達(dá)到某一值后基本保持不變。在確定加熱速率的條件下，H/δ對傳熱系數(shù)有很大的影響:H/δ值越大，傳熱系數(shù)也越大，即當(dāng)板的換熱面積確定后，較大的高度有助于提高換熱性能。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是較大的板高有助于流體的流動(dòng)在板間充分發(fā)展，從而使換熱性能提高，傳熱系數(shù)增大。

圖4 H/δ對傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Effects of height-gap ratios on the heat transfer coefficient

4.3 自然對流磁制冷樣機(jī)工作原理的可行性驗(yàn)證

4.3.1 自然對流磁制冷樣機(jī)換熱能力的驗(yàn)證

自然對流磁制冷樣機(jī)的工作原理是:在磁化或退磁時(shí)，制冷工質(zhì)的溫度相應(yīng)的升高或降低，與此同時(shí)，與之接觸的換熱流體由于溫度差，發(fā)生自然對流現(xiàn)象，從而將磁化/退磁過程產(chǎn)生的熱量/冷量帶走，從而在工質(zhì)兩端形成一定的溫度差，達(dá)到制冷的目地。在整個(gè)過程中，影響樣機(jī)工作的主要因素是制冷工質(zhì)和換熱流體之間自然對流換熱的強(qiáng)弱，即通過自然對流方式能否很好的將整個(gè)過程產(chǎn)生的熱量/冷量帶走。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室自然對流磁制冷樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)［13］:制冷工質(zhì)(圖 1)Gd 的使用量為 1 254 g，總換熱面積A=0.197 m2;磁場強(qiáng)度為0.78 T;磁體轉(zhuǎn)速為20 r/min。在該磁場強(qiáng)度下，制冷工質(zhì)產(chǎn)生的絕熱溫變?chǔ)=1.3 K，理論制冷功率Qo=266.85 W，即平均熱流密度為q=Qo/A≈1 355 W/m2。由牛頓公式，可知所需的理論傳熱系數(shù)h≈1 042 W/(m2·K)。由圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)所得的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于理論換熱系數(shù)。對于磁制冷樣機(jī)而言，往往需要填充更多的制冷工質(zhì)，增大樣機(jī)的制冷量，這就需要工質(zhì)的板間距很小。由3.1所得的結(jié)論可知，板間距越小傳熱系數(shù)越大，這就說明板間距較小時(shí)，自然對流傳熱系數(shù)的大小能夠滿足磁制冷裝置中流體與工質(zhì)的換熱，即將自然對流換熱運(yùn)用到磁制冷領(lǐng)域是可行的。

4.3.2 自然對流磁制冷樣機(jī)流體力學(xué)性能驗(yàn)證

由4.3.1可知，磁熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量有效地傳給蓄冷液是沒有問題的。關(guān)鍵的問題是:載熱(冷)的流體要在限定的時(shí)間內(nèi)離開工質(zhì)區(qū)，否則制冷效果就要受到影響。

自然對流由于溫差造成單位體積流體上升(下降)的浮生力:F= ρ·g·β·ΔT，式中:ρ為體積質(zhì)量，kg/m3;g為重力加速度(9.81 m/s2);β為體膨脹系數(shù)(2.8×10-4/K)。流體在上升過程中，浮生力所做的功轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，則有:F·L=mv2/2，其中L為工質(zhì)盤的高度，m。由樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，磁體轉(zhuǎn)速為20 r/min，磁體占圓周角45°。45°所需的轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間t為:45×3/360=0.375 s。若 t.v＞L，則流體在限定的時(shí)間內(nèi)能離開工質(zhì)區(qū);反之，則不能。通過計(jì)算可知，在磁化階段t.v＞＞L，這說明流體在限定的時(shí)間內(nèi)能充分離開工質(zhì)區(qū);由于退磁時(shí)間是磁化時(shí)間的3倍(1.125 s)，所以退磁階段流體也有充分的時(shí)間離開工質(zhì)區(qū)。因此，對于20 r/min的運(yùn)行頻率，自然對流磁制冷樣機(jī)能形成有效的自然對流傳熱。

5 結(jié)論

本文通過電加熱的方式模擬自然對流磁制冷樣機(jī)中工質(zhì)的磁化過程，研究了樣機(jī)中換熱過程的影響因素以及樣機(jī)工作原理的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)板間距的大小對換熱效果有很大的影響，較小的板間距可以獲得很好的換熱性能。

(2)當(dāng)換熱面積確定后，較大的板高有助于提高換熱性能。

(3)自然對流換熱系數(shù)能很好的滿足樣機(jī)中換熱流體與工質(zhì)間的換熱，即將自然對流換熱運(yùn)用到磁制冷領(lǐng)域是可行的。

(4)自然對流磁制冷樣機(jī)中，載熱(冷)的流體在限定的時(shí)間內(nèi)能離開工質(zhì)區(qū)，能形成有效的自然對流傳熱。

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Experimental research on operation theory and impact factors of natural convective magnetic refrigeration

Zeng Guogang1Chen yungui1Wang Baomu1Tang Yongbai1Wu Jianghong2

(1College of Material Science and Engineering，Si Chuan University，Chengdu 610064，China)
(2School of Mechanical＆Automobile，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Feasibility of the operation theory and impact factors of the heat transfer process for a natural convection typed magnetic refrigeration prototype were studied experimentally.The experiments were carried out at ambient temperature and pressure.The test part consisted of two aluminum plates with manganin heating wires stuck at back sides.The magnetic refrigerant magnetization of the magnetic refrigeration prototype was simulated through adjusting the heating voltages of heating wires，corresponding to adjust the heat flux.The magnetic refrigerant corresponds to an annulus that consists of many numbers of vertical narrow rectangular channels.The dimensions of the four channels investigated were 50 mm in height，40 mm in width and 1.5 mm，2.5 mm，5 mm and 10 mm in the gap depth respectively.The experiment results show that the gap depth and the height-gap ratio have significant effect on heat transfer performance，also indicate that the operation theory of the natural convective magnetic refrigeration prototype is feasible.

magnetic refrigeration;natural convection;heat transfer;gap depth

TB611，TB663

A

1000-6516(2013)01-0038-04

2012-11-26;

2013-02-05

國家自然科學(xué)基金(51176050)資助項(xiàng)目。

曾國剛，男，25歲，碩士研究生。