纳米流体强化倾斜微槽道热管换热特性的实验研究

摘要

本文对使用纳米流体为传热工质的倾斜轴向微槽道热管的传热特性进行了实验研究,考察纳米流体对此类热管的强化效果。分析了纳米流体的浓度、热管工作压力、热管倾斜角度、纳米颗粒种类、冷却条件等因素对热管蒸发、冷凝换热系数、总热阻及最大传热量的影响。此外,还研究了使用纳米流体后热管内壁的表面特性。实验结果表明:(1)使用Cu纳米流体为工质的强化微槽道热管比传统的使用去离子水为工质的热管具有更均匀的壁面温度分布,蒸发、冷凝换热系数均大幅增加,总热阻降低,且最大热流密度大幅升高。(2)纳米流体浓度对微槽道热管的换热性能和最大热流密度均有明显的影响。Cu纳米流体强化微槽道热管存在最佳浓度,本实验中Cu纳米流体的最佳质量浓度为1 wt％。(3)纳米流体的强化作用在低压工况下更显著。当热管的工作压力为7.45 kPa,纳米流体在最佳浓度1 wt%时,纳米流体强化微槽道热管的蒸发、冷凝换热系数相比去离子水为工质的热管平均增加了60%,热管的总热阻平均减小25%,最大热流密度平均增加了55%。(4)微槽道热管的倾斜角度对热管性能强化作用明显。在热管倾斜时,不仅蒸发、冷凝换热系数相较于水平热管大幅增加,平均增加了70%,总热阻大幅减小,平均减小了33%,最大热流密度也平均增加了一倍。并且,微槽道热管的换热性能在接近竖直时达到最佳,本实验的最佳倾斜角度是75°。(5)不同的颗粒种类对倾斜微槽道热管的强化作用是不同的,由于本身的导热系数等原因,Cu纳米流体比CuO纳米流体对微槽道热管的换热性能的强化作用更显著。(6)定冷却条件下,随着加热功率的增加,热管的稳定温度逐渐升高。冷却水流量一定的情况下,冷却水温度越低,相同加热功率下,热管的稳定工作温度越低。(7)纳米流体强化微槽道热管的动态启动时间比使用去离子水为工质的微槽道热管启动时间优化,最大启动功率也提高。热管的动态启动最大启动功率小于稳态启动工况的最大启动功率。(8)实验后实验段内壁表面会形成一层均匀的沉积层。此沉积层能使热管的换热得到强化。因此,纳米流体为工质的强化倾斜微槽道热管在低压下运行可以显著提高换热特性。纳米流体是一种能强化微槽道热管换热性能的新型工质。

目录

摘要

ABSTRACT

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题的提出

1.2 理论基础及国内外研究现状

1.2.1 热管介绍及微槽道热管技术的研究进展

1.2.2 纳米流体介绍及其应用

1.3 课题的主要研究内容

第二章 实验装置和实验方法

2.1 实验装置

2.1.1 微槽道热管实验段

2.1.2 抽真空及充液装置

2.1.3 热电偶的分布及校验

2.1.4 数据采集系统

2.2 实验方法及工况

2.2.1 实验工况

2.2.2 实验方法

2.3 实验数据导出及处理

2.3.1 蒸发段的热流密度

2.3.2 换热系数

2.3.3 热阻

2.4 误差分析

2.4.1 仪器误差

2.4.2 热电偶校正误差

2.4.3 壁面温度和蒸汽饱和温度误差

2.4.4 热流密度计算误差

2.4.5 换热系数计算误差

2.4.6 热阻计算误差

2.5 仪器列表

2.6 本章小结

第三章 实验用纳米流体的制备和导热系数的测量

3.1 实验用纳米流体的制备

3.2 纳米流体的导热系数的测量实验研究

3.2.1 实验原理

3.2.2 实验装置

3.2.3 导热系数的计算

3.2.4 实验步骤

3.2.5 实验误差

3.2.6 实验结果及分析

3.3 本章小结

第四章 定压条件下纳米流体强化倾斜微槽道热管的实验结果及分析

4.1 纳米流体强化倾斜微槽道热管的轴向温度分布特性

4.2 CU 纳米流体浓度对强化微槽道热管换热特性的影响

4.2.1 Cu 纳米流体浓度对强化微槽道热管换热系数的影响

4.2.2 Cu 纳米流体浓度对强化微槽道热管总热阻的影响

4.2.3 Cu 纳米流体浓度对强化微槽道热管最大热流密度的影响

4.3 热管工作压力对纳米流体强化微槽道热管换热特性的影响

4.3.1 热管工作压力对纳米流体强化微槽道热管换热系数的影响

4.3.2 热管工作压力对纳米流体强化微槽道热管最大热流密度强化率的影响

4.4 倾斜角度对纳米流体强化微槽道热管换热性能的影响

4.4.1 倾斜角度对去离子水为工质的微槽道热管换热性能的影响

4.4.2 倾斜角度对纳米流体强化微槽道热管换热系数的影响

4.4.3 倾斜角度对纳米流体强化微槽道热管总热阻的影响

4.4.4 倾斜角度对纳米流体强化微槽道热管最大热流密度的影响

4.5 颗粒种类对强化倾斜微槽道热管换热特性的影响

4.6 本章小结

第五章 定冷却条件下纳米流体强化水平微槽道热管的实验结果及分析

5.1 定冷却条件下水平微槽道热管的温度变化特性

5.2 定冷却条件下纳米流体强化水平微槽道热管的换热特性

5.3 定冷却条件下的实验结果与定压条件下的比较分析

5.4 定冷却条件下纳米流体强化水平微槽道热管的动态启动实验

5.5 本章小结

第六章 纳米流体的使用对微槽道热管内壁表面特性影响的研究

6.1 使用CU 纳米流体后实验段内壁表面的显微结果

6.2 使用CU 纳米流体后实验段剖面的显微结果

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 实验结果总结

7.2 论文总结

7.3 本文创新点

7.4 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利