磁场作用下纳米磁流体热管传热速率的研究

张云峰, 张英才, 王新华, 爨璋瑜

(长沙理工大学 能源与动力工程学院,长沙 410076)

随着现代工业的迅猛发展,能源需求增大与能源供应紧张的矛盾日益突出.热管因其在节约能源和新能源开发方面的独特优势而受到广泛重视.目前,世界上热管换热器的应用研究已经取得了以下进展:(1)用热管换热器回收工业排气中的余热;(2)用热管或热管换热器带走大功率电子原件或电子仪器散发的热量;(3)作为利用自然能源的换热器;(4)作为化学反应的换热器设备[1].提高热管的传热性能并开发出传热效率更高的热管是目前热管技术发展的方向和任务.

实验研究发现:自激振荡流热管内Cu-水纳米流体的传热具有一定的特殊性;在一定条件下,纳米流体可以起到强化传热的作用[2],且水经磁化后表面张力明显下降,磁通量密度的增加与水表面张力的下降呈波动关系,当磁通量密度增加到一定程度时,水表面张力的下降反而减缓[3-4].

吴松海等[5]的研究发现:在实验磁场的影响下,水蒸气冷凝传热系数最大值比无磁场作用下增大10%,但同时水蒸气的冷凝传热系数因受磁场的影响而减小;在施加磁场后蒸馏水的蒸发速率是无磁场时的1.1倍,同时蒸发速率随着磁通量密度的增加而增大,当磁通量密度保持不变时,蒸馏水的蒸发速率随着温度的上升而增大[6].

张云峰等[7]的研究发现:在相同的磁通量密度和热流密度下,油的升温速率比水大,但随着磁通量密度的增加和磁化时间的延长,油和水的升温速率均明显增大.赵猛等[8]通过实验研究发现:在磁场作用下,磁流体的黏度会增大,且黏度的大小与磁场作用的时间有关;当磁场作用达到一定时间后,磁流体的黏度便达到稳定值.

综上所述,利用磁流体和磁场来强化传热具有重要的科学研究意义.鉴于热管具有很强的传热特性以及磁场可以提高液体的导热性能,笔者提出通过实验中的外加磁场作用来强化纳米磁流体真空热管的传热性能.

1 实验

1.1 磁性纳米流体的配制

1.1.1 制备原料

磁性材料:纯Fe3O4颗粒,粒径为5～8μm,中国医药(集团)上海化学试剂公司生产.

纳米材料:纳米级Fe3O4颗粒.

分散剂:十二烷基苯磺酸钠(SDBS),分析纯,天津市博迪化工有限公司生产.

表面活性剂:油酸,化学纯,上海山浦化工有限公司生产.

1.1.2 制备流程

图1为磁流体和纳米流体制备流程示意图.在实验中,配制了水基、煤油基和酒精基3种Fe3O4磁流体,并对这3种Fe3O4磁流体样品进行了静置稳定性分析测试.将制备得到的不同基液磁流体样品在实验台上静置10天,如不出现明显的分层现象,即说明样品的稳定性良好.静置后,通过对比发现:煤油基和酒精基Fe3 O4磁流体出现明显的分层,水基Fe3O4磁流体的悬浮性良好,没有出现分层现象,说明煤油基和酒精基磁流体的配置实验失败,而实验配置的水基磁流体稳定性良好.图2为3种试样的稳定性对比照片,图中样品从左到右依次为水基、酒精基和煤油基.

图1 磁流体和纳米流体制备流程示意图Fig.1 Preparation chart of magnetic and nano-magnetic fluid

图2 3种试样的稳定性对比Fig.2 Stability comparison of three test samples

1.2 实验测试系统

实验装置和测试系统主要包括真空热管、加磁螺旋线圈、直流调压器、计算机 Labview温度采集系统以及多路热电偶巡检仪.图3为热管传热特性试验原理示意图.在图 3中,紫铜热管外径为 16 mm、长为1 000mm,外部采用PVC管制套管式换热器.为防止换热器向外散热,在换热器外表面包了一层厚度为28 mm的福乐斯柔性泡沫橡塑保温材料,并在保温材料外缠绕了一层锡箔纸,以减弱换热器与外界的辐射传热.

图3 热管传热特性试验原理示意图Fig.3 Schematic diagram of the heat transfer performance test for heat pipe

实验时,提供热水的恒温水箱保持90℃水温,冷却水和热水的流量均由流量计测量,采用调压器给螺旋线圈供电进而产生磁场,换热器进出口的温度值由热电阻温度计测量.进入稳定状态后,实验数据由巡检仪直接采集.

2 数学模型

在换热器中,任取一微元段d1,对应于间壁的微元传热面积d A0,热流体对冷流体传递热量的微分传热速率方程为:

式中:K′为局部传热系数,W/(m2◦℃);t h、t c分别为热流体和冷流体的局部平均温度,℃;d A0为对应于间壁的微元传热面积,m2.

由于换热器内冷、热流体的温度和物性均是变化的,因而在传热过程中的局部传热温差和局部传热系数也都是变化的.但在工程计算中,在沿程温度和物性变化不是很大的工况下,通常传热系数K和传热温差Δt均可采用整个换热器上的积分平均值.因此,对于整个换热器,传热速率方程可写为:

式中:K为总平均传热系数,简称总传热系数或传热系数,W/(m2◦℃);A为换热器的总传热面积,m2;Δt m为冷热流体的平均传热温差,K.

由于蒸发段换热器会向外界环境传热,而且传热量无法计算,所以热管传输的热流量按冷却水带走的热量计算.即在加热段条件相同、冷却水流量一定、热管工作稳定的工况下,对每根热管每隔5 s读取1组加热水和冷却水的进、出口温度值.

热管的传热速率计算公式为:

式中:Q为热管单位时间的传热量,W;c为冷却水的比热容,J/(kg◦℃);G为冷却水的流量,kg/s;t进 、t出 分别为冷却水的进、出口温度,℃.

实验结束后进行数据处理,求出对应的热管传热速率值,进而得到热管在该外界工况下的平均传热速率值,并利用OriginPro 8软件绘出传热速率与时间和磁场强度的分析图.

3 结果与分析

以水基真空热管作为参考,分别对磁流体真空热管和纳米磁流体真空热管在有、无外加磁场、不同种类以及不同强度外加磁场作用下的传热特性进行了测试.

3.1 无磁场作用下不同工质真空热管的传热特性分析

图4为无磁场作用下不同工质真空热管传热速率随时间的变化.从图4可知:在无磁场作用下,纳米磁流体和磁流体真空热管的传热速率均比水工质真空热管大得多,取平均值计算,二者分别比水工质真空热管大18.7%和14%,这主要由于受到纳米磁流体和磁流体中含有固体颗粒和表面活性剂的影响:固体颗粒间的碰撞增大了流体的导热系数;表面活性剂降低了液体的表面张力,有助于液体沸腾汽化核心数的增加.

图4 无磁场作用下不同工质真空热管传热速率随时间的变化Fig.4 H eat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.time,without outer magnetic field

3.2 直流磁场作用下不同工质真空热管的传热特性分析

图5为直流磁场作用下不同工质真空热管传热速率随磁通量密度的变化.从图5可知:在直流磁场作用下,3根热管的传热速率均有提高,且随着直流磁通量密度的增加,传热速率也不断提高.另外,随着磁通量密度的增加,纳米磁流体真空热管传热速率的提高幅度最大,其次是磁流体真空热管,二者都比水工质真空热管传热速率的提高幅度大.这主要是由于在蒸发段直流磁场的作用下,纳米磁流体和磁流体的表观密度增大,强化了磁性液体的自然对流传热;在冷凝段,由于静态直流磁场对其相扩散起到了促进作用,因而加速了蒸汽的凝结.直流磁场在蒸发段和冷凝段的共同作用下强化了热管的传热.

图5 直流磁场作用下不同工质真空热管传热速率随磁通量密度的变化Fig.5 Heat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.flux density,with outer DC magnetic field

3.3 交流磁场作用下不同工质真空热管的传热特性分析

图6为交流磁场作用下不同工质真空热管传热速率随磁通量密度的变化.从图6可知:在交流磁场作用下,3种工质真空热管的传热速率均有不同程度的提高;但是随着交流磁通量密度的不断增加,3根热管的传热速率出现先提高后降低的现象,即在0.000 7 T的时候出现峰值.

图6 交流磁场作用下不同工质真空热管传热速率随磁通量密度的变化Fig.6 Heat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.flux density,with outer AC magnetic field

在实验中,所施加的交流磁场的磁场方向每秒改变50次,这种磁场有很强的浸透能力,可使流体受到磁场力的作用,且这种磁场力又与流体温度场密切相关.一般,因温度变化使磁场力发生改变而引起的流体流动称为热磁对流,热磁对流的存在加强了蒸发段内的自然热对流[9].但是,可能由于磁场方向在不断地极速改变,磁场力的方向也在不断改变,热磁对流的强度不会一直提高,而是随着磁通量密度的增加有一个峰值,所以交流磁场强化热管传热也有峰值.

3.4 梯度磁场作用下不同工质真空热管的传热特性分析

图7为梯度磁场作用下不同工质真空热管传热速率随磁通量密度的变化.从图7可知:在梯度磁场作用下,3根热管的传热速率均有不同程度的提高,但提高幅度都不大:纳米磁流体真空热管传热速率提高4.9%,磁流体真空热管传热速率提高4.3%,而水工质热管只有3.4%.其原因为:一方面,梯度磁场能在一定程度上增大磁性流体的表观密度,进而强化磁性液体的自然对流传热;另一方面,处于不均匀梯度磁场中的流体也同样存在热磁对流,进而加强了蒸发段内的自然对流.

图7 梯度磁场作用下不同工质真空热管传热速率随磁通量密度的变化Fig.7 H eat transfer rate of heat pipe at different working fluid vs.flux density,with outer gradient magnetic field

4 结 论

(1)直流磁场、交流磁场和梯度磁场均能提高各种工质真空热管的传热速率,纳米磁流体热管优于磁流体热管和水工质热管.

(2)在交流磁场作用下,不同工质真空热管的传热速率均有不同程度的提高,且有峰值.交流磁场在0.000 7 T左右时,热管传热速率达到最大值,以后随着磁通量密度的继续增加,热管传热速率反而有所下降.

(3)在梯度磁场作用下,不同工质真空热管的传热速率提高幅度不大.在0.005 T梯度磁场作用下,水工质、磁流体和纳米磁流体真空热管的传热速率分别提高 3.4%、4.3%和4.9%.

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