磁性納米制冷劑冷卻回路熱磁對流特性研究

吳治將 殷少有

(1 順德職業技術學院 機電工程學院 佛山 528333; 2 廣東高校熱泵工程技術開發中心 佛山 528333)

納米制冷劑的概念是在納米流體的基礎上提出來的，即將納米材料與傳統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越多的關注[1]。目前國內外學者外關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率和提高熱交換系統的傳熱性能[2-3]，還有效提高制冷裝置的換熱量與能效[4-5]。但是，目前國內外關于納米制冷劑的研究主要集中納米制冷劑的制備[6]、物理性質的測量[7-8]和沸騰換熱[9-10]等方面。磁性納米流體在外磁場作用下具有特殊的流動和傳熱特征，目前關于外磁場作用下磁性納米制冷劑流體的熱磁對流過程和特性的研究還很少[11-12]，還有許多科學問題亟待解決，如外磁場的強度、方向的影響，加熱冷卻功率的選取，磁場與溫度的匹配問題等。因此，本文建立外磁外場作用下磁性納米制冷劑Fe3O4-R600a 冷卻回路的熱磁對流特性實驗系統，分析有無外磁場、磁場強度、磁場位置、加熱功率、冷卻溫度、加熱位置等對冷卻回路熱磁對流特性的影響，探索磁場及溫度場的協同效應對回路性能的控制作用。

1 實驗系統及方法

如圖1所示，磁性納米制冷劑Fe3O4-R600a 冷卻回路的熱磁對流特性實驗系統由閉合回路、實驗數據采集系統以及一個水冷卻裝置組成，整個冷卻回路由保溫層3包裹。閉合回路7是整個實驗的核心部分，其主體是一根細長封閉的玻璃管(內徑為6 mm)，整個回路的長度為110 mm，寬度為80 mm。超聲波流量計6用于測量流體的流量。壓力計5用于測量管內流體的壓力。水冷器8與低溫恒溫水浴槽相連，用于冷卻流經的流體。磁源1采用電磁鐵制成，匝數為15000，線徑1 mm，直徑為20 mm，最大可產生650 Gs的磁場強度。電阻絲2通過調壓器連接可調節加熱功率，滿足不同的實驗要求。溫度測量4采用T分度熱電偶，溫度數據由電腦連接數據采集儀自動記錄。實驗所需測量的主要參數有：管壁面上各點的溫度(T1-T11)，流體的流量，管內的壓力等。整個實驗過程在焓差室中進行。

1磁源 2電熱絲 3保溫層 4數據采集 5壓力計 6超聲波流量計 7閉合回路 8冷卻裝置 9進水口 10出水口

根據牛頓冷卻定理，利用實驗中測出的加熱功率、平均壁溫、磁流體的進出口溫度及磁流體流量等，就可以計算出管內磁流體在不同流動速度下的平均對流換熱系數h：

(1)

則磁流體的平均努塞爾數Num：

(2)

式中：Num為平均努塞爾數；d為特征長度取通道內徑，m；λ為流體的導熱系數，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，用雙級旋片式真空泵(極限壓力6.0×10-5Pa)對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，采用超聲波粉碎儀對它進行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，用雙級旋片式真空泵實驗系統抽真空，通過納米制冷劑充注裝置，采用液態充注法將一定量液態R600a磁流體注入實驗系統。本文實驗使用的納米流體質量分數為0.8%。

3 實驗結果與討論

3.1 有無外磁場冷卻回路中各點的溫度變化

圖2表示在相同工況下(環境溫度ta=10 ℃、冷卻溫度tc=10 ℃、加熱功率Q=2.56 W)有無外磁場時冷卻回路中各點溫度的變化情況。從圖2(a)可知，無外磁場時，只有加熱段(T2)及其附近流體(T4)的溫度有明顯升高，其它各點的溫度基本保持不變，說明磁流體沒有發生實際性的流動，各點之間的熱量傳遞僅靠熱傳導完成；從圖2(b)可知，有外磁場時(B=250 Gs)，磁流體內部受到與溫度梯度方向一致的磁場力作用時，就會產生熱磁對流現象[13]。磁流體發生流動，在溫度相對低處，磁流體的磁化強度大，受到的磁場驅動力也較大，因而磁流體在磁力的推動下流動，形成順時針的大環流，加熱段加熱的流體流動到下游段被冷卻，最后各點溫度達到平衡。

圖2 有無外磁場流體的各點溫度變化

3.2 加熱功率對磁流體運動狀況的影響

在實驗工況(ta=10 ℃、tc=10 ℃、B=250 Gs)，改變加熱功率Q進行實驗，當系統達到穩定后，測量磁流體的溫度和流速。圖3給出了回路中觀測點(T2、T4、T6)溫度穩定值隨加熱功率的變化關系。由圖可見，加熱功率越大，觀測點的平衡溫度值越高。當Q=4.18 W時，觀測點的最高溫度可達39.5 ℃，已超出此壓力下的沸點溫度(31.25 ℃)；當Q=5.18 W時，觀測點的最高溫度可達66.4 ℃。這也證明此閉合回路系統中存在冷卻能力極限，這與連文磊[13]研究的結果相同。

圖3 流體溫度穩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系(實驗工況與圖3相同)。磁流體的流速先隨加熱功率的增加而增大，當加熱功率達到3.82 W時，流速也達到最大值v=1.92 mm/s，此時再增大加熱功率，流速反而下降。原因分析：當加熱功率增加時，熱端的溫度快速上升，加熱段的溫度梯度變大，阻力減小，熱磁對流的驅動力增加，導致磁流體的流速增大，但當磁流體的溫度超過該壓力下的沸點溫度后，會產生部分汽化，使得Fe3O4顆粒開始發生團聚和粘度增大，磁流體的流動阻力增加，導致流速減小。

3.3 磁場強度對磁流體運動狀況的影響

圖5給出了實驗工況(ta=10 ℃、tc=10 ℃、Q=2.56 W)平均努塞爾數隨磁場強度變化關系。在相同的加熱功率下，Num隨著磁場強度的增加而增大。當外加磁場強度增大時，磁流體受到的磁場力逐漸增大，加劇了磁流體的自然對流，強化了磁流體內部的能量傳遞過程，使得磁流體與管壁面之間的換熱增強，熱磁對流強度增加，導致Num增大。在相同的磁場強度條件下，適當增大加熱功率可以增加磁流體內部的溫度差，但當增加到一定程度后(沸點以上)，就會出現汽化現象，反而導致Num下降，這與圖4分析的結果一致。另一方面，在較高的磁場強度下，磁性納米流體中磁性顆粒發生了顆粒鏈絞合和團聚[14]。

圖4 流體流速隨加熱功率的變化

圖5 平均努塞爾數隨磁場強度的變化

3.4 磁源位置對磁流體運動狀況的影響

圖6表示平均努塞爾數隨磁源位置的變化關系(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，當磁源位于中間位置，Num最小。這是因為磁源靠近加熱端時，可最大程度地削弱強磁場區域流體的磁化強度，導致該段流體所受磁力的阻力減小；同樣，當磁源靠近冷端時，可大大提高磁場區域流體的磁化強度，這使得流體受到的驅動力增大。因此，熱磁對流通道內既取決于磁場和溫度場本身，還取決與它們的相對位置。溫度場與磁場的協同作用決定了流體所受凈驅動力的大小，從而決定了熱磁對流的強度。當冷(熱)源、磁場固定時，盡量選擇靠近冷源一側或者熱源一側的位置，可以獲得最大的磁場力和對流傳熱性能。

圖6 平均努塞爾數與磁源位置變化

3.5 冷凝溫度對磁流體運動狀況的影響

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

圖7 平均努塞爾數隨冷卻溫度變化

4 結論

實驗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流特性。結果表明：

1)外磁場對磁性納米流體的熱磁對流換熱過程的影響非常明顯，回路中的磁流體循環流動和傳熱性能取決于外磁場的溫度的協同作用，合理的冷、熱源的位置與磁場分布，有助于提高回路的傳熱性能。

2)回路中磁熱對流的強弱不但取決于磁場和溫度場本身，還取決與磁源與冷源(熱源)的相對位置，當冷(熱)源、磁場固定時，盡量選擇靠近冷源一側或者熱源一側的位置，可以獲得最大的磁場力和對流傳熱性能。

3)冷卻溫度對回路中流體磁化強度的不平衡性影響較小；流體的流速隨加熱功率的增加而增大，但穩定后的平衡溫度也相應升高，當磁流體溫度超過沸點溫度后，傳熱性能下降。

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