水基Fe3O4磁性液體脈動(dòng)熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究*

唐正男，蘇 磊

(南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211186)

0 引 言

脈動(dòng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小巧、布置靈活、運(yùn)行無(wú)須動(dòng)力輸入等優(yōu)勢(shì)[3-4]，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。脈動(dòng)熱管的運(yùn)行及傳熱性能受內(nèi)部工質(zhì)及熱物性影響較大，其中納米流體作為工質(zhì)對(duì)脈動(dòng)熱管性能有一定的強(qiáng)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(dòng)熱管后，在平穩(wěn)工作時(shí)，納米流體懸浮性較好，但當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)停止脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)后，納米顆粒開(kāi)始出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，同時(shí)相比H2O熱管具有較好的傳熱性能；紀(jì)林林等[6]通過(guò)以納米級(jí)碳管和銅粉制作的混合溶液作為脈動(dòng)熱管工質(zhì)，研究其傳熱性能，得出加入混合后的工質(zhì)的脈動(dòng)熱管傳熱熱阻更低，傳熱效率更高，啟動(dòng)更快。

磁性液體是一種新型磁性納米材料，因其獨(dú)特的性能[7]，被廣泛應(yīng)用于小型熱交換器、航天領(lǐng)域和機(jī)械工程領(lǐng)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(qiáng)化傳熱的能力[14-16]。

陳小潭等[17]采用數(shù)值模擬法，針對(duì)水基鐵磁性流體脈動(dòng)熱管建立模型，得出結(jié)論：水基鐵磁流體脈動(dòng)熱管的在60%充液率下傳熱性能最優(yōu)，磁性液體在≤5%體積濃度，熱管外加恒定或梯度磁場(chǎng)時(shí)，脈動(dòng)熱管的傳熱性能隨磁場(chǎng)的增強(qiáng)而逐步增強(qiáng)；邱晟華等[18]對(duì)充灌磁性液體脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行研究，分析了充液率和外加磁場(chǎng)對(duì)熱管傳熱性能的影響，得到結(jié)論:Fe3O4磁性液體脈動(dòng)熱管在40%充液率時(shí)傳熱性能最優(yōu)，當(dāng)外加一個(gè)通直流電的線圈形成0～60 kA/m且平行于熱管流動(dòng)方向的磁場(chǎng)時(shí)，脈動(dòng)熱管的傳熱性能被惡化。

本文將選取磁性液體作為脈動(dòng)熱管的充灌工質(zhì)，在風(fēng)冷方式下研究磁性液體質(zhì)量濃度、充液率、加熱功率、熱管結(jié)構(gòu)、冷熱段長(zhǎng)度比等對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱熱阻和工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)等的影響規(guī)律，并與同條件下水工質(zhì)脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行對(duì)比，獲得磁性流體脈動(dòng)熱管主要因素對(duì)熱管傳熱性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

磁性液體脈動(dòng)熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括脈動(dòng)熱管、加熱系統(tǒng)、冷卻風(fēng)道、保溫裝置、K型熱電偶，外加磁場(chǎng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

脈動(dòng)熱管為紫銅材料，管內(nèi)/外徑為3 mm/4 mm，總長(zhǎng)2.125 m，總高0.026 m，由8根直管段8個(gè)彎頭組成的閉式等高型結(jié)構(gòu)，熱管垂直放置，下部為加熱段，上部為冷卻段，無(wú)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(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)道中，風(fēng)機(jī)由直流電源驅(qū)動(dòng)，風(fēng)速為2.1 m/s。

脈動(dòng)熱管中部冷卻段外布置有外加磁場(chǎng)，由NS極磁鐵組成，位于熱管兩側(cè)，由支架固定，強(qiáng)度由SJ200數(shù)字高斯計(jì)測(cè)得，精度0.1 mT。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括OMEGA傳感熱電偶、Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀、插入式模塊、計(jì)算機(jī)及軟件組成，測(cè)溫精度0.05 ℃，數(shù)據(jù)采集間隔0.1 s。

實(shí)驗(yàn)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(zhì)，其中，4.5%濃度的磁性液體為購(gòu)買(mǎi)的成品，由化學(xué)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(guò)配制獲取。

1.2 熱管測(cè)溫點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)處理

熱管共設(shè)20個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，冷卻段測(cè)點(diǎn)為1～10號(hào)，加熱段測(cè)點(diǎn)為11～20號(hào)，熱管共14根。

熱管的傳熱溫差、傳熱熱阻、熱流密度及導(dǎo)熱系數(shù)由下式計(jì)算：

Δt=th-tc

(1)

式中：Δt—傳熱溫差，℃；th—熱管熱段10個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度平均值;tc—冷段10個(gè)測(cè)點(diǎn)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(dǎo)熱系數(shù)，380 W/m·K;A壁—紫銅外管壁導(dǎo)熱面積，m2;δ—導(dǎo)熱管冷熱端的導(dǎo)熱厚度，取熱管高度的一半，m。

內(nèi)部工質(zhì)傳熱功率Qg為：

Qg=Q-Q壁

(4)

式中:Qg—內(nèi)部工質(zhì)傳熱功率(即總傳熱功率減去管壁的導(dǎo)熱功率)，W。

熱管的導(dǎo)熱面積Ag為：

(5)

式中:Ag—熱管的導(dǎo)熱面積，m;n—直管段數(shù)；d0—管內(nèi)徑，m。

工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)λg為：

(6)

式中:λg—工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。

2 水基Fe3O4磁性液體脈動(dòng)熱管性能分析

2.1 磁性液體質(zhì)量濃度對(duì)熱管性能的影響

筆者研究質(zhì)量濃度對(duì)熱管傳熱性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了蒸餾水工質(zhì)，1.5%，3%，4.5%，9%，12%這5種磁性流體質(zhì)量濃度的脈動(dòng)熱管在相同8彎頭等高結(jié)構(gòu)、50%充液率、14 ∶12冷熱段長(zhǎng)度比和無(wú)外磁場(chǎng)作用下，脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳熱性能隨加熱功率的變化情況，先后為熱阻和熱傳導(dǎo)系數(shù)。測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

圖1 濃度對(duì)熱管熱阻及熱傳導(dǎo)熱系數(shù)影響

圖1結(jié)果顯示：1.5%、3%和4.5%質(zhì)量濃度的磁性液體的傳熱性能都優(yōu)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(wěn)定的變化規(guī)律；而熱管的熱導(dǎo)率隨加熱功率升高呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。4.5%濃度熱管的傳熱性能最優(yōu)，10 W時(shí)的熱阻為0.621 4 ℃/W，熱導(dǎo)率3 405 W/(m·K)；

200 W時(shí)熱阻降到0.017 7 ℃/W，熱導(dǎo)率升高到129 109 W/(m·K)，是銅管熱導(dǎo)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(jié)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(dǎo)性能，過(guò)小的濃度對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的強(qiáng)化作用減弱，而過(guò)高的濃度又會(huì)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(jí)磁性顆粒和游離的表面活性劑分子數(shù)比例增加，相當(dāng)于增添了水工質(zhì)汽化核心的數(shù)量，促進(jìn)了水工質(zhì)的相變汽化，從而強(qiáng)化了脈動(dòng)熱管的傳熱性能，但較小的濃度，強(qiáng)化傳熱性能的能力減弱；當(dāng)磁性流體濃度較高時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)的粘度大大增加，振蕩阻力加大，不利于熱管內(nèi)部工質(zhì)的振蕩流動(dòng)，從而惡化了熱管的傳熱性能。

2.2 冷熱段長(zhǎng)度比對(duì)熱管傳熱性能的影響

筆者研究了熱管冷熱段長(zhǎng)度比對(duì)熱管傳熱性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了12 ∶14、14 ∶12、16.5 ∶9.5這3種冷熱段長(zhǎng)度比的脈動(dòng)熱管在相同的8彎頭等高結(jié)構(gòu)，50%充液率，4.5%濃度，無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)熱管傳熱性能隨加熱功率的變化情況，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 冷熱段長(zhǎng)度比對(duì)熱管傳熱熱阻的影響

圖2顯示了3種冷熱段長(zhǎng)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(shí)，3種冷熱段長(zhǎng)度比熱管的熱阻變化差別較小；在40 W以上加熱功率時(shí)，3根熱管熱阻開(kāi)始出現(xiàn)較大差別，其中14 ∶12熱管的傳熱性能最優(yōu)，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(fēng)冷方式下，因風(fēng)冷卻能力的限制，冷卻段稍長(zhǎng)于加熱段更利于水基Fe3O4磁性液體脈動(dòng)熱管傳熱和傳導(dǎo)性能的強(qiáng)化。但冷卻段過(guò)長(zhǎng)(16.5 ∶9.5)，管內(nèi)冷卻速度加快，而加熱段減小，使熱段工質(zhì)氣化速度減慢，推動(dòng)力不足，工質(zhì)流動(dòng)換熱變?nèi)酰徊焕诠軆?nèi)工質(zhì)的流動(dòng)和熱量傳遞，從而降低了熱管的傳熱性能。

2.3 充液率對(duì)熱管傳熱性能的影響

筆者研究充液率對(duì)熱管傳熱性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了30%、50%、70%這3種充液率下脈動(dòng)熱管在相同8彎頭等高結(jié)構(gòu)、4.5%磁性液體質(zhì)量濃度、14 ∶12冷熱段長(zhǎng)度比和無(wú)外磁場(chǎng)作用下，脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳熱性能隨加熱功率的變化情況。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

由于人員經(jīng)費(fèi)和維持公用經(jīng)費(fèi)的非專(zhuān)項(xiàng)資金無(wú)法到位，導(dǎo)致教育專(zhuān)項(xiàng)資金被挪用的問(wèn)題普遍，專(zhuān)項(xiàng)資金的使用效果、使用效率會(huì)降低。從專(zhuān)項(xiàng)資金被挪用、被滯留和被隱匿的實(shí)際情況來(lái)看，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)都和非專(zhuān)項(xiàng)資金投入力度不夠相關(guān)。

圖3 充液率對(duì)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(shí)，充液率對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱熱阻的影響較明顯，而隨著功率繼續(xù)上升影響逐漸縮小。

原因在于：充液率較大的熱管，內(nèi)部工質(zhì)運(yùn)動(dòng)需要更大的推動(dòng)力，但因相變空間受限，限制了工質(zhì)的汽化，汽化產(chǎn)生的推動(dòng)力減小。充液率較小利于工質(zhì)的汽化，但工質(zhì)流動(dòng)質(zhì)量流量隨充液率的減小而降低，從而限制了工質(zhì)傳熱功率的增大，因此50%充液率熱管表現(xiàn)出更好的傳熱性能。

2.4 結(jié)構(gòu)型式對(duì)熱管傳熱性能的影響

筆者研究結(jié)構(gòu)型式對(duì)熱管傳熱性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了在確定管長(zhǎng)下3種結(jié)構(gòu)(8彎頭等高，12彎頭漸高，14彎頭高低)型式脈動(dòng)熱管，在相同4.5%磁性液體質(zhì)量濃度、50%充液率、14 ∶12冷熱段長(zhǎng)度比和無(wú)外磁場(chǎng)作用下，脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳熱性能隨加熱功率的變化情況。測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱流動(dòng)的強(qiáng)化作用小于脈動(dòng)熱管彎頭數(shù)增加對(duì)傳熱流動(dòng)的阻礙作用，且彎頭數(shù)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(jié)構(gòu)熱管(0.843 6 ℃/W～0.076 7 ℃/W)。

原因在于：雖然不等高結(jié)構(gòu)可以增加相鄰管之間的重力不平衡勢(shì)差，利于工質(zhì)的在相鄰管間的流動(dòng)，但其作用遠(yuǎn)低于彎頭產(chǎn)生的局部阻力對(duì)流動(dòng)的阻礙。因此較少?gòu)濐^更利于工質(zhì)的流動(dòng)，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(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的熱阻相對(duì)于等高結(jié)構(gòu)熱管的熱阻的增幅減小。

2.5 外加磁場(chǎng)對(duì)磁性液體脈動(dòng)熱管性能影響

基于水基Fe3O4磁性液體在磁場(chǎng)作用下會(huì)顯現(xiàn)磁性等特性，筆者研究磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁力線與工質(zhì)流動(dòng)方向所呈角度對(duì)熱管傳熱性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試放置在無(wú)磁場(chǎng)、16.5 Mt磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁力線方向與工質(zhì)流動(dòng)方向所呈角度為90°)和16.5 Mt磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁力線方向與工質(zhì)流動(dòng)方向所呈角度為60°)的脈動(dòng)熱管，在8彎頭等高型結(jié)構(gòu)、4.5%磁性液體質(zhì)量濃度、14 ∶12冷熱段長(zhǎng)度比，50%充液率條件下，脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳熱性能隨加熱功率的變化情況。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 磁場(chǎng)對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱熱阻的影響

由圖5可以知：當(dāng)加熱功率低于120 W時(shí)，熱管的傳熱性能受外磁場(chǎng)的影響作用較明顯，傳熱性能都有一定程度的惡化；同時(shí)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(nèi)工質(zhì)流動(dòng)方向呈90°時(shí)，熱管的傳熱性能較傾斜放置磁場(chǎng)(60°)的性能差，高加熱功率時(shí)(≥120 W)，磁場(chǎng)對(duì)其影響作用減小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)水基Fe3O4磁性液體脈動(dòng)熱管傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果如下：

(1)1.5%、3%和4.5%質(zhì)量濃度的磁性液體的傳熱性能優(yōu)于純水熱管，4.5%濃度熱管的傳熱性能和熱導(dǎo)率最優(yōu)，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(zhì)量濃度為4.5%，其最小熱阻可達(dá)0.017 7 ℃/W，對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率為129 109 W/(m·K),是銅管熱導(dǎo)率的340倍，水脈動(dòng)熱管的10倍左右；

(2)風(fēng)冷方式下，40 W以上加熱功率下，冷卻段略長(zhǎng)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(duì)熱管傳熱性能的影響在中小功率時(shí)更明顯，50%充液率熱管的傳熱性能和熱導(dǎo)率最優(yōu)，200 W時(shí)，50%熱管的熱導(dǎo)率是30%熱管的3.5倍，是70%熱管的5倍；

(4)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)對(duì)脈動(dòng)熱管的傳熱性能強(qiáng)化作用小于彎頭數(shù)增加對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的阻礙作用，彎頭數(shù)越多，熱管的傳熱性能越差，8彎頭等高型熱管的熱性能優(yōu)于兩種非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)熱管；

(5)加熱功率≤120 W時(shí)，外加磁場(chǎng)后熱管的傳熱性能受其影響明顯，磁場(chǎng)方向與管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)方向角度越大傳熱性能越差；加熱功率≥120 W，磁場(chǎng)及其角度對(duì)其影響作用減小。