磁性流體池沸騰傳熱強(qiáng)化及其在熱管、制冷中應(yīng)用的研究.pdf

1、磁性流體是由納米級(jí)的鐵磁性微細(xì)顆粒借助于表面活性劑穩(wěn)定地分散于基液中形成的膠體溶液，是一種新型的納米和液體功能材料。磁性流體兼有液體和磁性材料的雙重性質(zhì)，即使在重力、離心力或強(qiáng)磁場的作用下也不會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象，是目前國內(nèi)外尖端的納米技術(shù)之一。磁場作用下磁性流體可作為新型傳熱工質(zhì)有效地強(qiáng)化和控制傳熱，在熱力工程和相關(guān)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用性。 本文首先提出了應(yīng)用場協(xié)同的沸騰傳熱模型。該模型將沸騰壁面按換熱機(jī)制的不同分為氣泡區(qū)和對(duì)流區(qū)。氣泡

2、區(qū)的傳熱受汽泡控制，在成長時(shí)間熱量由汽泡底部薄液層的蒸發(fā)來進(jìn)行傳遞，在等候時(shí)間內(nèi)液體與加熱壁面之間用一維瞬態(tài)導(dǎo)熱過程估計(jì)。對(duì)流區(qū)包括汽泡影響區(qū)和基本上不受汽泡行為影響的自然對(duì)流區(qū)。氣泡影響區(qū)為汽泡運(yùn)動(dòng)造成的強(qiáng)化自然對(duì)流，取兩倍于氣泡直徑的范圍。因此對(duì)于沸騰傳熱，外加的作用或場是否可以強(qiáng)化沸騰傳熱，除了需要與對(duì)流區(qū)的溫度場和速度場協(xié)同外，還取決于對(duì)氣泡區(qū)氣泡的影響，看是否強(qiáng)化了氣泡的生成與運(yùn)動(dòng)。 對(duì)于磁性流體的沸騰傳熱，當(dāng)沒有外加

3、磁場作用時(shí)，在磁性微粒和表面活性劑的共同影響下，汽泡的最小生成半徑和脫離直徑減小，等候時(shí)間縮短，脫離頻率和活化核心數(shù)目增加，增加了加熱壁面上氣泡區(qū)的傳熱；而且，磁性微粒和表面活性劑還可以強(qiáng)化對(duì)流區(qū)對(duì)流傳熱溫度場與速度場的協(xié)同。磁性流體沸騰傳熱時(shí)的最優(yōu)磁粒濃度是由磁性微粒和表面活性劑共同作用生成的。 當(dāng)有外加磁場作用時(shí)，磁性流體中的磁性微粒沿磁場方向排成磁鏈結(jié)構(gòu)，粘度增加，對(duì)沸騰傳熱起不利作用。但是磁場作用下，汽泡脫離直徑減小，汽

4、泡形狀變成底部寬的橢圓形，生成汽泡數(shù)目增多，汽泡對(duì)加熱壁面有“橫向”擾動(dòng)作用，這些對(duì)磁性的沸騰也有顯著的強(qiáng)化作用。因此，磁場對(duì)磁性流體沸騰傳熱的影響，要結(jié)合這些不利影響，根據(jù)它們?cè)诜序v中所起的作用大小來綜合考慮。 采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論的研究方法，設(shè)計(jì)了沸騰傳熱的試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了水基磁性水的沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與水相比，中低磁性微粒濃度的磁性流體使傳熱強(qiáng)化，但磁性微粒濃度高時(shí)會(huì)使磁性流體的沸騰換熱惡化，惡化程度隨熱流的增加而增加

5、。中低濃度的磁性流體存在一個(gè)最優(yōu)的磁性微粒濃度，在該濃度下磁性流體強(qiáng)化沸騰傳熱的效果最顯著。當(dāng)濃度超過該最優(yōu)濃度時(shí)，隨著濃度的增加，沸騰傳熱逐漸減弱，當(dāng)濃度增大到一定程度后會(huì)造成高熱流密度時(shí)的“負(fù)強(qiáng)化”，從而使沸騰傳熱惡化；而當(dāng)磁性流體的濃度低于該最低濃度時(shí)，隨著磁性微粒濃度的減小，磁性流體強(qiáng)化沸騰傳熱的效果也逐漸減小。 施加磁場后上述結(jié)論仍然成立，而且外加磁場還可以進(jìn)一步增強(qiáng)磁性流體的沸騰換熱。對(duì)于高磁性微粒濃度的磁性流體沸騰

6、傳熱，不同磁場位置時(shí)的曲線雜亂無章。減小磁性流體中磁性微粒的含量，不同磁場位置對(duì)沸騰傳熱的影響明顯，永磁鐵距離沸騰容器底部的垂直距離越大，相同熱流密度下磁性流體的沸騰溫差越小，即外加磁場對(duì)磁性流體沸騰的強(qiáng)化傳熱作用越明顯。 在第三部分，設(shè)計(jì)了磁性流體熱管和測試熱管性能的試驗(yàn)臺(tái)，將磁性流體熱管與水熱管進(jìn)行對(duì)比，以確定含納米級(jí)固體顆粒的磁性流體應(yīng)用于熱管后的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)水熱管的傳熱性能最好，含納米級(jí)固體顆粒的磁性流體應(yīng)用于熱

7、管后沒有使熱管的傳熱得到強(qiáng)化，而且磁性流體熱管的傳熱也存在最優(yōu)磁性微粒濃度，該濃度下的磁性流體熱管的傳熱性能最好。磁性流體熱管的最優(yōu)濃度比池沸騰時(shí)的最優(yōu)濃度要小。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)以10.1wt﹪濃度的磁性流體熱管的傳熱性能最好，但在高加熱功率時(shí)其性能迅速惡化，達(dá)到熱管的傳熱極限，以致燒毀失效。增加充液量沒有使磁性流體熱管的傳熱性能增強(qiáng)。 施加磁場減弱了充液量為3.5g的磁性流體熱管的傳熱;充液量增加后，磁場對(duì)磁性流體熱管傳熱性能的惡化

8、現(xiàn)象發(fā)生改變。低濃度的磁性流體熱管在小加熱功率時(shí)，施加磁場后仍然是減弱熱管的傳熱，但隨著加熱功率的增加，磁場使磁性流體熱管的傳熱得到了強(qiáng)化。而當(dāng)熱管內(nèi)的磁性流體濃度增加后，即使處于低加熱功率，外加磁場也能增強(qiáng)磁性流體熱管的傳熱，并且其強(qiáng)化效果隨著加熱功率的增加而有所增加。 最后，在磁熱虹吸基礎(chǔ)上提出的一種熱能驅(qū)動(dòng)的磁性流體制冷系統(tǒng)，并通過理論分析證實(shí)該系統(tǒng)是可行的。該系統(tǒng)由外加磁場、發(fā)生器、蒸汽管路、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸收