吳治將 殷少有

(1 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 佛山 528333; 2 廣東高校熱泵工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心 佛山 528333)

納米制冷劑的概念是在納米流體的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，即將納米材料與傳統(tǒng)的制冷劑混合制備而成。作為一種新型換熱流體，納米流體得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者外關(guān)于納米制冷劑的研究表明，納米制冷劑不但可以顯著增加流體的熱導(dǎo)率和提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能[2-3]，還有效提高制冷裝置的換熱量與能效[4-5]。但是，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于納米制冷劑的研究主要集中納米制冷劑的制備[6]、物理性質(zhì)的測(cè)量[7-8]和沸騰換熱[9-10]等方面。磁性納米流體在外磁場(chǎng)作用下具有特殊的流動(dòng)和傳熱特征，目前關(guān)于外磁場(chǎng)作用下磁性納米制冷劑流體的熱磁對(duì)流過(guò)程和特性的研究還很少[11-12]，還有許多科學(xué)問(wèn)題亟待解決，如外磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向的影響，加熱冷卻功率的選取，磁場(chǎng)與溫度的匹配問(wèn)題等。因此，本文建立外磁外場(chǎng)作用下磁性納米制冷劑Fe3O4-R600a 冷卻回路的熱磁對(duì)流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析有無(wú)外磁場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)位置、加熱功率、冷卻溫度、加熱位置等對(duì)冷卻回路熱磁對(duì)流特性的影響，探索磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)的協(xié)同效應(yīng)對(duì)回路性能的控制作用。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

如圖1所示，磁性納米制冷劑Fe3O4-R600a 冷卻回路的熱磁對(duì)流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由閉合回路、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及一個(gè)水冷卻裝置組成，整個(gè)冷卻回路由保溫層3包裹。閉合回路7是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心部分，其主體是一根細(xì)長(zhǎng)封閉的玻璃管(內(nèi)徑為6 mm)，整個(gè)回路的長(zhǎng)度為110 mm，寬度為80 mm。超聲波流量計(jì)6用于測(cè)量流體的流量。壓力計(jì)5用于測(cè)量管內(nèi)流體的壓力。水冷器8與低溫恒溫水浴槽相連，用于冷卻流經(jīng)的流體。磁源1采用電磁鐵制成，匝數(shù)為15000，線徑1 mm，直徑為20 mm，最大可產(chǎn)生650 Gs的磁場(chǎng)強(qiáng)度。電阻絲2通過(guò)調(diào)壓器連接可調(diào)節(jié)加熱功率，滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求。溫度測(cè)量4采用T分度熱電偶，溫度數(shù)據(jù)由電腦連接數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄。實(shí)驗(yàn)所需測(cè)量的主要參數(shù)有：管壁面上各點(diǎn)的溫度(T1-T11)，流體的流量，管內(nèi)的壓力等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在焓差室中進(jìn)行。

1磁源 2電熱絲 3保溫層 4數(shù)據(jù)采集 5壓力計(jì) 6超聲波流量計(jì) 7閉合回路 8冷卻裝置 9進(jìn)水口 10出水口

根據(jù)牛頓冷卻定理，利用實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的加熱功率、平均壁溫、磁流體的進(jìn)出口溫度及磁流體流量等，就可以計(jì)算出管內(nèi)磁流體在不同流動(dòng)速度下的平均對(duì)流換熱系數(shù)h：

(1)

則磁流體的平均努塞爾數(shù)Num：

(2)

式中：Num為平均努塞爾數(shù)；d為特征長(zhǎng)度取通道內(nèi)徑，m；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

2 磁性納米制冷劑的制備和充注

磁性納米顆粒與制冷劑的混合液制備采用四步法，用雙級(jí)旋片式真空泵(極限壓力6.0×10-5Pa)對(duì)100 mL制冷罐瓶抽真空；用電子分析天平(量程10～2109 mg，最大誤差為0.1 mg)精確稱量Fe3O4納米顆粒(平均粒徑為18 nm)，每50 mL制冷劑加入適量的納米顆粒或分散劑，將其注入真空制冷罐瓶；將稱量好的R600a液態(tài)制冷劑充入制冷罐瓶, 制冷罐瓶倒置于超聲波清洗器低溫水槽內(nèi)，采用超聲波粉碎儀對(duì)它進(jìn)行120 min的分散以制備出Fe3O4-R600a納米磁流體制冷劑。待納米制冷劑制備完成后，用雙級(jí)旋片式真空泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽真空，通過(guò)納米制冷劑充注裝置，采用液態(tài)充注法將一定量液態(tài)R600a磁流體注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文實(shí)驗(yàn)使用的納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 有無(wú)外磁場(chǎng)冷卻回路中各點(diǎn)的溫度變化

圖2表示在相同工況下(環(huán)境溫度ta=10 ℃、冷卻溫度tc=10 ℃、加熱功率Q=2.56 W)有無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)冷卻回路中各點(diǎn)溫度的變化情況。從圖2(a)可知，無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，只有加熱段(T2)及其附近流體(T4)的溫度有明顯升高，其它各點(diǎn)的溫度基本保持不變，說(shuō)明磁流體沒(méi)有發(fā)生實(shí)際性的流動(dòng)，各點(diǎn)之間的熱量傳遞僅靠熱傳導(dǎo)完成；從圖2(b)可知，有外磁場(chǎng)時(shí)(B=250 Gs)，磁流體內(nèi)部受到與溫度梯度方向一致的磁場(chǎng)力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱磁對(duì)流現(xiàn)象[13]。磁流體發(fā)生流動(dòng)，在溫度相對(duì)低處，磁流體的磁化強(qiáng)度大，受到的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力也較大，因而磁流體在磁力的推動(dòng)下流動(dòng)，形成順時(shí)針的大環(huán)流，加熱段加熱的流體流動(dòng)到下游段被冷卻，最后各點(diǎn)溫度達(dá)到平衡。

圖2 有無(wú)外磁場(chǎng)流體的各點(diǎn)溫度變化

3.2 加熱功率對(duì)磁流體運(yùn)動(dòng)狀況的影響

在實(shí)驗(yàn)工況(ta=10 ℃、tc=10 ℃、B=250 Gs)，改變加熱功率Q進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)量磁流體的溫度和流速。圖3給出了回路中觀測(cè)點(diǎn)(T2、T4、T6)溫度穩(wěn)定值隨加熱功率的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，加熱功率越大，觀測(cè)點(diǎn)的平衡溫度值越高。當(dāng)Q=4.18 W時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的最高溫度可達(dá)39.5 ℃，已超出此壓力下的沸點(diǎn)溫度(31.25 ℃)；當(dāng)Q=5.18 W時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的最高溫度可達(dá)66.4 ℃。這也證明此閉合回路系統(tǒng)中存在冷卻能力極限，這與連文磊[13]研究的結(jié)果相同。

圖3 流體溫度穩(wěn)定值隨加熱功率的變化

圖4給出了加熱功率與磁流體流速的變化關(guān)系(實(shí)驗(yàn)工況與圖3相同)。磁流體的流速先隨加熱功率的增加而增大，當(dāng)加熱功率達(dá)到3.82 W時(shí)，流速也達(dá)到最大值v=1.92 mm/s，此時(shí)再增大加熱功率，流速反而下降。原因分析：當(dāng)加熱功率增加時(shí)，熱端的溫度快速上升，加熱段的溫度梯度變大，阻力減小，熱磁對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力增加，導(dǎo)致磁流體的流速增大，但當(dāng)磁流體的溫度超過(guò)該壓力下的沸點(diǎn)溫度后，會(huì)產(chǎn)生部分汽化，使得Fe3O4顆粒開(kāi)始發(fā)生團(tuán)聚和粘度增大，磁流體的流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致流速減小。

3.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體運(yùn)動(dòng)狀況的影響

圖5給出了實(shí)驗(yàn)工況(ta=10 ℃、tc=10 ℃、Q=2.56 W)平均努塞爾數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化關(guān)系。在相同的加熱功率下，Num隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，磁流體受到的磁場(chǎng)力逐漸增大，加劇了磁流體的自然對(duì)流，強(qiáng)化了磁流體內(nèi)部的能量傳遞過(guò)程，使得磁流體與管壁面之間的換熱增強(qiáng)，熱磁對(duì)流強(qiáng)度增加，導(dǎo)致Num增大。在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，適當(dāng)增大加熱功率可以增加磁流體內(nèi)部的溫度差，但當(dāng)增加到一定程度后(沸點(diǎn)以上)，就會(huì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，反而導(dǎo)致Num下降，這與圖4分析的結(jié)果一致。另一方面，在較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，磁性納米流體中磁性顆粒發(fā)生了顆粒鏈絞合和團(tuán)聚[14]。

圖4 流體流速隨加熱功率的變化

圖5 平均努塞爾數(shù)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

3.4 磁源位置對(duì)磁流體運(yùn)動(dòng)狀況的影響

圖6表示平均努塞爾數(shù)隨磁源位置的變化關(guān)系(ta=10 ℃、tc=10 ℃、B=250 Gs)。由圖6分析可知，磁源與冷源(熱源)的位置越近，Num越大，當(dāng)磁源位于中間位置，Num最小。這是因?yàn)榇旁纯拷訜岫藭r(shí)，可最大程度地削弱強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域流體的磁化強(qiáng)度，導(dǎo)致該段流體所受磁力的阻力減小；同樣，當(dāng)磁源靠近冷端時(shí)，可大大提高磁場(chǎng)區(qū)域流體的磁化強(qiáng)度，這使得流體受到的驅(qū)動(dòng)力增大。因此，熱磁對(duì)流通道內(nèi)既取決于磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)本身，還取決與它們的相對(duì)位置。溫度場(chǎng)與磁場(chǎng)的協(xié)同作用決定了流體所受凈驅(qū)動(dòng)力的大小，從而決定了熱磁對(duì)流的強(qiáng)度。當(dāng)冷(熱)源、磁場(chǎng)固定時(shí)，盡量選擇靠近冷源一側(cè)或者熱源一側(cè)的位置，可以獲得最大的磁場(chǎng)力和對(duì)流傳熱性能。

圖6 平均努塞爾數(shù)與磁源位置變化

3.5 冷凝溫度對(duì)磁流體運(yùn)動(dòng)狀況的影響

圖7表示平均努塞爾數(shù)隨冷卻溫度變化(ta=10 ℃、B=250 Gs)。由圖7分析可知，當(dāng)Q=2.54 W，tc=6 ℃時(shí)，Num=7.03；當(dāng)tc=14 ℃，Num=6.4，降幅為8.96%。這是因?yàn)槔鋮s溫度的下降，不但降低了磁場(chǎng)下游流體的溫度，同時(shí)降低了上游流體的整體溫度，導(dǎo)致流體的溫度差別的改變較小，磁熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)力的影響也相對(duì)較小，所以整體的流速改變很有限，Num改變不大。

圖7 平均努塞爾數(shù)隨冷卻溫度變化

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了磁性納米制冷劑Fe3O4-R600a冷卻回路在不同工況下的熱磁對(duì)流特性。結(jié)果表明：

1)外磁場(chǎng)對(duì)磁性納米流體的熱磁對(duì)流換熱過(guò)程的影響非常明顯，回路中的磁流體循環(huán)流動(dòng)和傳熱性能取決于外磁場(chǎng)的溫度的協(xié)同作用，合理的冷、熱源的位置與磁場(chǎng)分布，有助于提高回路的傳熱性能。

2)回路中磁熱對(duì)流的強(qiáng)弱不但取決于磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)本身，還取決與磁源與冷源(熱源)的相對(duì)位置，當(dāng)冷(熱)源、磁場(chǎng)固定時(shí)，盡量選擇靠近冷源一側(cè)或者熱源一側(cè)的位置，可以獲得最大的磁場(chǎng)力和對(duì)流傳熱性能。

3)冷卻溫度對(duì)回路中流體磁化強(qiáng)度的不平衡性影響較??；流體的流速隨加熱功率的增加而增大，但穩(wěn)定后的平衡溫度也相應(yīng)升高，當(dāng)磁流體溫度超過(guò)沸點(diǎn)溫度后，傳熱性能下降。

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