磁场作用下纳米流体真空热管传热特性的实验装置

摘要

本发明公开了一种磁场作用下纳米流体真空热管传热特性的实验装置。它包括真空热管(1)，真空热管(1)内装有纳米流体，真空热管(1)的下部绕有电热丝(17)，电热丝(17)的外侧设有保温层(6)，真空热管(1)的上部置于冷凝管(3)中，冷凝管(3)设有进口端(9)、出口端(2)，进口端(9)经管道、流量计(10)与水槽(14)相连，真空热管(1)的外侧设有螺旋线圈(16)，螺旋线圈(16)与调压器(15)相连，多个热电偶(8)从上往下置于真空热管(1)外表壁，热电偶(8)的输出端与数据记录仪(12)相连。本发明结构简单、成本低、使用方便，可以测量不同磁场作用下纳米流体真空热管的传热特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场作用下纳米流体真空热管传热特性的实验装置。

背景技术

随着纳米材料科学的迅速发展，纳米颗粒的工业化生产成为现实，自九十年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域。1995年，美国Argonne国家实验室的研究者首先开展在液体工质中添加纳米粉以强化传热的研究，并首先提出纳米流体的概念。纳米流体是指将介于1～100纳米的金属、金属氧化物、氮化物、碳化物、非金属等纳米颗粒，通过加入或不加分散剂的方法分散到水、油、乙二醇等传统的工质中而形成的纳米流体。

纳米材料因具有小尺寸效应，其行为接近于液体分子，与传统传热流体或含有微米级固体颗粒的流体相比，纳米流体具有诸多优点：(1)纳米颗粒具有较大的比表面，它有望大幅度提高流体的导热能力和热容量，从而降低循环泵的能耗，降低成本，减轻热交换器的体积。(2)因纳米颗粒尺度较小，其在流体介质中的布朗运动能抵御重力引起的聚沉，从而可长时间保持稳定悬浮。(3)由于其粒径较小，也可以作为润滑介质，从而减轻管道和设备的磨损。(4)由于纳米颗粒粒径较小，还有望和热管结合起来而发展新型微型换热设备，特别应用在微电子和信息领域。

纳米流体的研究和应用为许多高科技领域方面一些难题的解决提供了新的方法和思路，如：(1)利用纳米流体可以使发动机在更优化的温度下工作，使冷却系统做得更小、更轻，从而节省燃料耗量。(2)用于机械加工的刀具冷却，可提高工件的加工速度、精度，并延长刀具的使用寿命。(3)用于电力电子工业，散热问题是很多器件如计算机、微电子、微电机、大型电机、变压器、集成电路、通讯系统等的运行效率、速度、寿命的重要制约因素，高效纳米流体冷却技术则可发挥重要作用。(4)用于暖通空调系统的冷媒和太阳能回收中的热媒，可以大大提高其换热性能，减小体积，提高效率。(5)用于制造各种更高效的换热器、散热器和热管换热器件等。

纳米流体作为一种新型的强化传热工质，主要应用于两相流流动与传热方面，特别是气液两相流动将是大幅度提高换热效果的有效途径。但目前纳米流体的研究还主要集中在管内强制单相流动上以及池内沸腾换热。而对于纳米流体在外加磁场条件下的相变沸腾换热还未曾见到。

发明内容

为了解决磁场作用下纳米流体强化真空热管传热特性的技术问题，本发明提供一种磁场作用下纳米流体真空热管传热特性的实验装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括真空热管，真空热管内装有纳米流体，真空热管的下部绕有电热丝，电热丝的外侧设有保温层，真空热管的上部置于冷凝管中，冷凝管设有进口端、出口端，进口端经管道、流量计与水槽相连，真空热管的外侧设有螺旋线圈，螺旋线圈与调压器相连，多个测温装置从上往下置于真空热管外表壁，测温装置的输出端与数据记录仪相连。

上述的磁场作用下纳米流体真空热管传热特性的实验装置中，所述测温装置为热电偶。

本发明的技术效果在于：本发明结构简单、成本低、使用方便，是一种较好的磁场作用下纳米流体真空热管传热特性的实验装置；本发明可通过改变磁场的大小，测试热管换热系数的变化，确定其最佳换热工况；本发明通过施加一个与重力方向相反的磁场力必定会克服重力不至于使磁性纳米流体沉降，从而保持较好的稳定性，有利于提高实验结果的准确性。

下面给合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明中磁流体热管冷凝段进出口温度差与磁场强度大小的关系图。

具体实施方式

参见图1，本发明包括真空热管1，真空热管1的下部绕有电热丝17，电热丝17的外侧设有保温层6，真空热管1的上部置于冷凝管3中，冷凝管3设有进口端9、出口端2，进口端9经管道与流量计10、水槽14相连，水槽14位于高处，用水泵11从低位水槽13中抽水到水槽14中，真空热管1的外侧设螺旋线圈16，螺旋线圈16与调压器15相连，真空热管1外表从上到下设有多个热电偶8用于测量热管1的温度，热电偶8的输出端与数据记录仪12相连。

分别称取纳米Fe₃O₄ 0.5g，1.0g，2.5g，5g，10g；平均粒径50nm，将称出的纳米材料分别加到500ml去离子水，形成磁纳米粒子悬浮液，然后辅以超声振动，以获得悬浮稳定的纳米流体悬浮液。在本实验中，保持超声波的功率和频率不变，对每种纳米流体分别作用4-8个小时，制备实验所需的纳米流体。

将配置好的磁性纳米流体充进热管中，然后将热管抽成真空，并密封。热管的充液率为加热段的50％。热管采用铜管，铜管长1065mm，外径12.5mm，内径10mm，热管蒸发段长503mm，冷凝段长506mm。通过稳压器由一个250w的电加热带给热管蒸发段加热，冷凝段通过外套冷凝管用冷却水冷却。热虹吸管传输的热流量按冷却水带走的热量计算。冷却水进、出口温度分别用两根0.1级温度计测量。为了保证冷却水流量稳定，采用带溢流环的2500mm高的高位水槽经转子流量计供给冷却水。热管的管壁温度均采用热电偶测量：蒸发段管壁温度由4对镍铬一镍硅热电偶测量。绝热段由一对镍铬一镍硅热电偶测量。

Q_输出＝C_流体×G_{冷却水流量}×(T_出一T_进)

上式中：Q_输出表示输出的热量；C_流体表示流体的比热；

G_{冷却水流量}表示冷却水的流量；

T_进、T_出分别表示冷却水的进、出口温度。

本实验中热管1的冷凝段采用来自稳压的高位水箱14的水冷却，改变水路阀门的开启度能调节冷却水流量。从而调节热管的冷却负荷的。水的换热能力很强，这种实验台投资少，使用方便，实验功率可以达到很高。

本实验中采用8个热电偶测量热管蒸发端、绝缘端、冷凝端的壁面温度，蒸发端蒸发端进、出口温度和冷凝端进、出口温度均采用热电阻测量。使用直径为Φ0.1-0.3mm的热电偶，将热节点焊接在壳壁上测量壁表面温度。测量蒸发端进、出口温度和冷凝端进、出口温度时，将橡皮塞中间打一小孔将热电阻穿入密封伸入流体中。热电偶、热电阻接入数据记录仪12中。

由于热管在用电加热带加热时，加热段向周围环境散热，而且散热量无法计算，因此，加热段的加热量无法计算，故系统所传输的热量也不能通过加热段得到。本实验的热虹吸管传输的热流量是按冷却水带走的热量为准计算的。为了保证冷却水流量稳定，采用带溢流环的、2500毫米高的高位水槽经转子流量计供给冷却水，进、出口水温用0.1级精密温度计测量。冷却水的流量以实验过程的平均流量为准，实验计时用精度为1秒的秒表。

因本实验采用冷却段冷却水带走的热量作为热管的传输热量，所以要求有稳定可靠的保温措施，在加热段的外层设有保温层6。

为了更好的给磁性流体纳米热管施加一定的磁场，且可任意地调节磁场的大小，本实验中采用调压器给螺旋线圈供直流电来产生磁场。

参见图2，图2为本发明中磁流体热管冷凝段进出口温度差与磁场强度大小的关系图。当磁场强度变化时，随着时间的变化，外加沿轴向上磁场时磁流体热管冷凝段进出口温度差也随之发生波动。不加磁场即磁场强度是o Gs时，进出口温差最小，这说明换热能力最小。随着所加磁场强度的增大，进出口温差随着增大，这也就说明，磁场强度越大。随着磁场强度的增加，热管的换热性不断增强，磁场强度为103Gs时与不加磁场时相比换热性能提高80％左右，分析原因是由于磁场方向与重力在热管轴向的分力方向相同，热管的表观密度随着磁场强度的增加不断增加，磁流体处于超重状态，使磁流体内部的热对流得到强化因此热管的换热性能不断增加。