水基Fe3O4磁性液體脈動熱管傳熱性能實驗研究*

唐正男，蘇 磊

(南京工業大學 能源科學與工程學院，江蘇 南京 211186)

0 引 言

脈動熱管是由AKACHI H等[1-2]于1990年提出的一種傳熱元件，因其高效傳熱性能，且相較于普通熱管具有結構簡單、尺寸小巧、布置靈活、運行無須動力輸入等優勢[3-4]，受到國內外學者的廣泛關注。脈動熱管的運行及傳熱性能受內部工質及熱物性影響較大，其中納米流體作為工質對脈動熱管性能有一定的強化作用。

MA等[5]制備了顆粒直徑很小的納米C-H2O液體，納米顆粒充入脈動熱管后，在平穩工作時，納米流體懸浮性較好，但當管內工質停止脈動運動后，納米顆粒開始出現沉降現象，同時相比H2O熱管具有較好的傳熱性能；紀林林等[6]通過以納米級碳管和銅粉制作的混合溶液作為脈動熱管工質，研究其傳熱性能，得出加入混合后的工質的脈動熱管傳熱熱阻更低，傳熱效率更高，啟動更快。

磁性液體是一種新型磁性納米材料，因其獨特的性能[7]，被廣泛應用于小型熱交換器、航天領域和機械工程領域[8-9],例如磁性液體陀螺和加速度器、選礦和自由升降裝置[10-13]，并且磁性液體還具有提高冷卻和強化傳熱的能力[14-16]。

陳小潭等[17]采用數值模擬法，針對水基鐵磁性流體脈動熱管建立模型，得出結論：水基鐵磁流體脈動熱管的在60%充液率下傳熱性能最優，磁性液體在≤5%體積濃度，熱管外加恒定或梯度磁場時，脈動熱管的傳熱性能隨磁場的增強而逐步增強；邱晟華等[18]對充灌磁性液體脈動熱管的傳熱性能進行研究，分析了充液率和外加磁場對熱管傳熱性能的影響，得到結論:Fe3O4磁性液體脈動熱管在40%充液率時傳熱性能最優，當外加一個通直流電的線圈形成0～60 kA/m且平行于熱管流動方向的磁場時，脈動熱管的傳熱性能被惡化。

本文將選取磁性液體作為脈動熱管的充灌工質，在風冷方式下研究磁性液體質量濃度、充液率、加熱功率、熱管結構、冷熱段長度比等對脈動熱管傳熱熱阻和工質導熱系數等的影響規律，并與同條件下水工質脈動熱管的傳熱性能進行對比，獲得磁性流體脈動熱管主要因素對熱管傳熱性能的影響規律。

1 實驗裝置

1.1 實驗測試系統

磁性液體脈動熱管傳熱性能實驗測試系統包括脈動熱管、加熱系統、冷卻風道、保溫裝置、K型熱電偶，外加磁場及數據采集系統。

脈動熱管為紫銅材料，管內/外徑為3 mm/4 mm，總長2.125 m，總高0.026 m，由8根直管段8個彎頭組成的閉式等高型結構，熱管垂直放置，下部為加熱段，上部為冷卻段，無絕熱段；加熱段纏電加熱絲加熱，并用抽真空保溫罩及保溫棉隔熱保溫，加熱功率10 W～200 W；冷卻段垂直插入自行設計的冷卻風道中，風機由直流電源驅動，風速為2.1 m/s。

脈動熱管中部冷卻段外布置有外加磁場，由NS極磁鐵組成，位于熱管兩側，由支架固定，強度由SJ200數字高斯計測得，精度0.1 mT。數據采集系統包括OMEGA傳感熱電偶、Agilent 34970A數據采集儀、插入式模塊、計算機及軟件組成，測溫精度0.05 ℃，數據采集間隔0.1 s。

實驗選取1.5%、3%、4.5%、9%和12%這5種濃度的Fe3O4水基磁性液體為工作介質，其中，4.5%濃度的磁性液體為購買的成品，由化學共沉淀法制得，其Fe3O4原生粒直徑為5 nm～15 nm，其余4種濃度通過配制獲取。

1.2 熱管測溫點布置及數據處理

熱管共設20個測溫點，冷卻段測點為1～10號，加熱段測點為11～20號，熱管共14根。

熱管的傳熱溫差、傳熱熱阻、熱流密度及導熱系數由下式計算：

Δt=th-tc

(1)

式中：Δt—傳熱溫差，℃；th—熱管熱段10個測點的溫度平均值;tc—冷段10個測點的溫度平均值，℃。

熱管的傳熱阻抗R為：

(2)

式中:R—熱管的傳熱阻，℃/W;Q—傳熱功率，W。

紫銅管的傳熱功率Q壁為：

(3)

式中:Q壁—紫銅管的傳熱功率，W;λ銅—紫銅的導熱系數，380 W/m·K;A壁—紫銅外管壁導熱面積，m2;δ—導熱管冷熱端的導熱厚度，取熱管高度的一半，m。

內部工質傳熱功率Qg為：

Qg=Q-Q壁

(4)

式中:Qg—內部工質傳熱功率(即總傳熱功率減去管壁的導熱功率)，W。

熱管的導熱面積Ag為：

(5)

式中:Ag—熱管的導熱面積，m;n—直管段數；d0—管內徑，m。

工質的導熱系數λg為：

(6)

式中:λg—工質的導熱系數，W/m·K。

2 水基Fe3O4磁性液體脈動熱管性能分析

2.1 磁性液體質量濃度對熱管性能的影響

筆者研究質量濃度對熱管傳熱性能的影響，通過試驗測試了蒸餾水工質，1.5%，3%，4.5%，9%，12%這5種磁性流體質量濃度的脈動熱管在相同8彎頭等高結構、50%充液率、14 ∶12冷熱段長度比和無外磁場作用下，脈動熱管穩定運行時傳熱性能隨加熱功率的變化情況，先后為熱阻和熱傳導系數。測量結果如圖1所示。

圖1 濃度對熱管熱阻及熱傳導熱系數影響

圖1結果顯示：1.5%、3%和4.5%質量濃度的磁性液體的傳熱性能都優于純水熱管，但9%和12%濃度熱管傳熱性能較純水熱管差；熱管的傳熱熱阻隨加熱功率的升高呈快速下降，再緩慢降低直至穩定的變化規律；而熱管的熱導率隨加熱功率升高呈波動上升趨勢。4.5%濃度熱管的傳熱性能最優，10 W時的熱阻為0.621 4 ℃/W，熱導率3 405 W/(m·K)；

200 W時熱阻降到0.017 7 ℃/W，熱導率升高到129 109 W/(m·K)，是銅管熱導熱率(380 W/(m·K))的340倍，是水熱管的10倍左右。因此本研究總結出適宜濃度的磁性液體可大大降低熱管的傳熱熱阻，改善熱管的傳熱及傳導性能，過小的濃度對脈動熱管傳熱性能的強化作用減弱，而過高的濃度又會降低熱管的傳熱性能。

原因在于：在水(基載液)中添加一定濃度的Fe3O4磁性顆粒，使懸浮于水中的納米級磁性顆粒和游離的表面活性劑分子數比例增加，相當于增添了水工質汽化核心的數量，促進了水工質的相變汽化，從而強化了脈動熱管的傳熱性能，但較小的濃度，強化傳熱性能的能力減弱；當磁性流體濃度較高時，管內工質的粘度大大增加，振蕩阻力加大，不利于熱管內部工質的振蕩流動，從而惡化了熱管的傳熱性能。

2.2 冷熱段長度比對熱管傳熱性能的影響

筆者研究了熱管冷熱段長度比對熱管傳熱性能的影響，通過試驗測試了12 ∶14、14 ∶12、16.5 ∶9.5這3種冷熱段長度比的脈動熱管在相同的8彎頭等高結構，50%充液率，4.5%濃度，無外磁場時熱管傳熱性能隨加熱功率的變化情況，測量結果如圖2所示。

圖2 冷熱段長度比對熱管傳熱熱阻的影響

圖2顯示了3種冷熱段長度比的熱管熱阻隨加熱功率的變化曲線，加熱功率40 W以下時，3種冷熱段長度比熱管的熱阻變化差別較小；在40 W以上加熱功率時，3根熱管熱阻開始出現較大差別，其中14 ∶12熱管的傳熱性能最優，熱阻最低(0.621 5 ℃/W～0.017 8 ℃/W)，其次是12 ∶14型，16.5 ∶9.5熱管的熱阻最大(0.556 9 ℃/W～0.052 1 ℃/W)。

原因在于：在風冷方式下，因風冷卻能力的限制，冷卻段稍長于加熱段更利于水基Fe3O4磁性液體脈動熱管傳熱和傳導性能的強化。但冷卻段過長(16.5 ∶9.5)，管內冷卻速度加快，而加熱段減小，使熱段工質氣化速度減慢，推動力不足，工質流動換熱變弱；不利于管內工質的流動和熱量傳遞，從而降低了熱管的傳熱性能。

2.3 充液率對熱管傳熱性能的影響

筆者研究充液率對熱管傳熱性能的影響，通過試驗測試了30%、50%、70%這3種充液率下脈動熱管在相同8彎頭等高結構、4.5%磁性液體質量濃度、14 ∶12冷熱段長度比和無外磁場作用下，脈動熱管穩定運行時傳熱性能隨加熱功率的變化情況。測量結果如圖3所示。

由于人員經費和維持公用經費的非專項資金無法到位，導致教育專項資金被挪用的問題普遍，專項資金的使用效果、使用效率會降低。從專項資金被挪用、被滯留和被隱匿的實際情況來看，這些現象的出現都和非專項資金投入力度不夠相關。

圖3 充液率對熱管傳熱熱阻

由圖3傳熱熱阻隨加熱功率的變化曲線可知：50%熱管的熱阻一直最小，其次為30%熱管，最差的是70%熱管(1.127 ℃/W～0.080 3 ℃/W)。另外，加熱功率低于100 W時，充液率對脈動熱管傳熱熱阻的影響較明顯，而隨著功率繼續上升影響逐漸縮小。

原因在于：充液率較大的熱管，內部工質運動需要更大的推動力，但因相變空間受限，限制了工質的汽化，汽化產生的推動力減小。充液率較小利于工質的汽化，但工質流動質量流量隨充液率的減小而降低，從而限制了工質傳熱功率的增大，因此50%充液率熱管表現出更好的傳熱性能。

2.4 結構型式對熱管傳熱性能的影響

筆者研究結構型式對熱管傳熱性能的影響，通過試驗測試了在確定管長下3種結構(8彎頭等高，12彎頭漸高，14彎頭高低)型式脈動熱管，在相同4.5%磁性液體質量濃度、50%充液率、14 ∶12冷熱段長度比和無外磁場作用下，脈動熱管穩定運行時傳熱性能隨加熱功率的變化情況。測量結果如圖4所示。

圖4 結構對熱管傳熱熱阻的影響

由圖4傳熱熱阻隨加熱功率的變化曲線可知：不等高結構對脈動熱管傳熱流動的強化作用小于脈動熱管彎頭數增加對傳熱流動的阻礙作用，且彎頭數增加得越多，傳熱性能下降得越明顯，8彎頭等高型熱管的熱阻(0.621 5 ℃/W～0.017 8 ℃/W)明顯低于12彎頭(0.833 4 ℃/W～0.078 77 ℃/W)和14彎頭非等高結構熱管(0.843 6 ℃/W～0.076 7 ℃/W)。

原因在于：雖然不等高結構可以增加相鄰管之間的重力不平衡勢差，利于工質的在相鄰管間的流動，但其作用遠低于彎頭產生的局部阻力對流動的阻礙。因此較少彎頭更利于工質的流動，且提高了熱管傳熱性能。另外，隨加熱功率的增加，兩種非等高結構脈動熱管的熱阻相對于等高結構熱管的熱阻的增幅減小。

2.5 外加磁場對磁性液體脈動熱管性能影響

基于水基Fe3O4磁性液體在磁場作用下會顯現磁性等特性，筆者研究磁場強度及磁力線與工質流動方向所呈角度對熱管傳熱性能的影響，通過試驗測試放置在無磁場、16.5 Mt磁場強度(磁力線方向與工質流動方向所呈角度為90°)和16.5 Mt磁場強度(磁力線方向與工質流動方向所呈角度為60°)的脈動熱管，在8彎頭等高型結構、4.5%磁性液體質量濃度、14 ∶12冷熱段長度比，50%充液率條件下，脈動熱管穩定運行時傳熱性能隨加熱功率的變化情況。測量結果如圖5所示。

圖5 磁場對脈動熱管傳熱熱阻的影響

由圖5可以知：當加熱功率低于120 W時，熱管的傳熱性能受外磁場的影響作用較明顯，傳熱性能都有一定程度的惡化；同時由16.5 Mt(60°)條件下熱阻范圍(0.014 3 ℃/W～0.598 ℃/W)，16.5 Mt(90°)條件下熱阻范圍(0.8 ℃/W～0.021 ℃/W)可以得出：磁力線方向與管內工質流動方向呈90°時，熱管的傳熱性能較傾斜放置磁場(60°)的性能差，高加熱功率時(≥120 W)，磁場對其影響作用減小。

3 結束語

本文針對水基Fe3O4磁性液體脈動熱管傳熱性能進行了實驗研究。研究結果如下：

(1)1.5%、3%和4.5%質量濃度的磁性液體的傳熱性能優于純水熱管，4.5%濃度熱管的傳熱性能和熱導率最優，但9%和12%濃度熱管的傳熱性能較純水熱管差，最佳磁性液體質量濃度為4.5%，其最小熱阻可達0.017 7 ℃/W，對應的熱導率為129 109 W/(m·K),是銅管熱導率的340倍，水脈動熱管的10倍左右；

(2)風冷方式下，40 W以上加熱功率下，冷卻段略長于加熱段的14:12型熱管的傳熱性能較好；

(3)30%、50%和70%充液率下，充液率對熱管傳熱性能的影響在中小功率時更明顯，50%充液率熱管的傳熱性能和熱導率最優，200 W時，50%熱管的熱導率是30%熱管的3.5倍，是70%熱管的5倍；

(4)不對稱結構對脈動熱管的傳熱性能強化作用小于彎頭數增加對脈動熱管傳熱性能的阻礙作用，彎頭數越多，熱管的傳熱性能越差，8彎頭等高型熱管的熱性能優于兩種非對稱結構熱管；

(5)加熱功率≤120 W時，外加磁場后熱管的傳熱性能受其影響明顯，磁場方向與管內工質流動方向角度越大傳熱性能越差；加熱功率≥120 W，磁場及其角度對其影響作用減小。