磁性纳米制冷剂冷却回路热磁对流特性研究

吴治将 殷少有

(1 顺德职业技术学院 机电工程学院 佛山 528333; 2 广东高校热泵工程技术开发中心 佛山 528333)

纳米制冷剂的概念是在纳米流体的基础上提出来的，即将纳米材料与传统的制冷剂混合制备而成。作为一种新型换热流体，纳米流体得到了越来越多的关注[1]。目前国内外学者外关于纳米制冷剂的研究表明，纳米制冷剂不但可以显著增加流体的热导率和提高热交换系统的传热性能[2-3]，还有效提高制冷装置的换热量与能效[4-5]。但是，目前国内外关于纳米制冷剂的研究主要集中纳米制冷剂的制备[6]、物理性质的测量[7-8]和沸腾换热[9-10]等方面。磁性纳米流体在外磁场作用下具有特殊的流动和传热特征，目前关于外磁场作用下磁性纳米制冷剂流体的热磁对流过程和特性的研究还很少[11-12]，还有许多科学问题亟待解决，如外磁场的强度、方向的影响，加热冷却功率的选取，磁场与温度的匹配问题等。因此，本文建立外磁外场作用下磁性纳米制冷剂Fe3O4-R600a 冷却回路的热磁对流特性实验系统，分析有无外磁场、磁场强度、磁场位置、加热功率、冷却温度、加热位置等对冷却回路热磁对流特性的影响，探索磁场及温度场的协同效应对回路性能的控制作用。

1 实验系统及方法

如图1所示，磁性纳米制冷剂Fe3O4-R600a 冷却回路的热磁对流特性实验系统由闭合回路、实验数据采集系统以及一个水冷却装置组成，整个冷却回路由保温层3包裹。闭合回路7是整个实验的核心部分，其主体是一根细长封闭的玻璃管(内径为6 mm)，整个回路的长度为110 mm，宽度为80 mm。超声波流量计6用于测量流体的流量。压力计5用于测量管内流体的压力。水冷器8与低温恒温水浴槽相连，用于冷却流经的流体。磁源1采用电磁铁制成，匝数为15000，线径1 mm，直径为20 mm，最大可产生650 Gs的磁场强度。电阻丝2通过调压器连接可调节加热功率，满足不同的实验要求。温度测量4采用T分度热电偶，温度数据由电脑连接数据采集仪自动记录。实验所需测量的主要参数有：管壁面上各点的温度(T1-T11)，流体的流量，管内的压力等。整个实验过程在焓差室中进行。

1磁源 2电热丝 3保温层 4数据采集 5压力计 6超声波流量计 7闭合回路 8冷却装置 9进水口 10出水口

根据牛顿冷却定理，利用实验中测出的加热功率、平均壁温、磁流体的进出口温度及磁流体流量等，就可以计算出管内磁流体在不同流动速度下的平均对流换热系数h：

(1)

则磁流体的平均努塞尔数Num：

(2)

式中：Num为平均努塞尔数；d为特征长度取通道内径，m；λ为流体的导热系数，W/(m·K)。

2 磁性纳米制冷剂的制备和充注

磁性纳米颗粒与制冷剂的混合液制备采用四步法，用双级旋片式真空泵(极限压力6.0×10-5Pa)对100 mL制冷罐瓶抽真空；用电子分析天平(量程10～2109 mg，最大误差为0.1 mg)精确称量Fe3O4纳米颗粒(平均粒径为18 nm)，每50 mL制冷剂加入适量的纳米颗粒或分散剂，将其注入真空制冷罐瓶；将称量好的R600a液态制冷剂充入制冷罐瓶, 制冷罐瓶倒置于超声波清洗器低温水槽内，采用超声波粉碎仪对它进行120 min的分散以制备出Fe3O4-R600a纳米磁流体制冷剂。待纳米制冷剂制备完成后，用双级旋片式真空泵实验系统抽真空，通过纳米制冷剂充注装置，采用液态充注法将一定量液态R600a磁流体注入实验系统。本文实验使用的纳米流体质量分数为0.8%。

3 实验结果与讨论

3.1 有无外磁场冷却回路中各点的温度变化

图2表示在相同工况下(环境温度ta=10 ℃、冷却温度tc=10 ℃、加热功率Q=2.56 W)有无外磁场时冷却回路中各点温度的变化情况。从图2(a)可知，无外磁场时，只有加热段(T2)及其附近流体(T4)的温度有明显升高，其它各点的温度基本保持不变，说明磁流体没有发生实际性的流动，各点之间的热量传递仅靠热传导完成；从图2(b)可知，有外磁场时(B=250 Gs)，磁流体内部受到与温度梯度方向一致的磁场力作用时，就会产生热磁对流现象[13]。磁流体发生流动，在温度相对低处，磁流体的磁化强度大，受到的磁场驱动力也较大，因而磁流体在磁力的推动下流动，形成顺时针的大环流，加热段加热的流体流动到下游段被冷却，最后各点温度达到平衡。

图2 有无外磁场流体的各点温度变化

3.2 加热功率对磁流体运动状况的影响

在实验工况(ta=10 ℃、tc=10 ℃、B=250 Gs)，改变加热功率Q进行实验，当系统达到稳定后，测量磁流体的温度和流速。图3给出了回路中观测点(T2、T4、T6)温度稳定值随加热功率的变化关系。由图可见，加热功率越大，观测点的平衡温度值越高。当Q=4.18 W时，观测点的最高温度可达39.5 ℃，已超出此压力下的沸点温度(31.25 ℃)；当Q=5.18 W时，观测点的最高温度可达66.4 ℃。这也证明此闭合回路系统中存在冷却能力极限，这与连文磊[13]研究的结果相同。

图3 流体温度稳定值随加热功率的变化

图4给出了加热功率与磁流体流速的变化关系(实验工况与图3相同)。磁流体的流速先随加热功率的增加而增大，当加热功率达到3.82 W时，流速也达到最大值v=1.92 mm/s，此时再增大加热功率，流速反而下降。原因分析：当加热功率增加时，热端的温度快速上升，加热段的温度梯度变大，阻力减小，热磁对流的驱动力增加，导致磁流体的流速增大，但当磁流体的温度超过该压力下的沸点温度后，会产生部分汽化，使得Fe3O4颗粒开始发生团聚和粘度增大，磁流体的流动阻力增加，导致流速减小。

3.3 磁场强度对磁流体运动状况的影响

图5给出了实验工况(ta=10 ℃、tc=10 ℃、Q=2.56 W)平均努塞尔数随磁场强度变化关系。在相同的加热功率下，Num随着磁场强度的增加而增大。当外加磁场强度增大时，磁流体受到的磁场力逐渐增大，加剧了磁流体的自然对流，强化了磁流体内部的能量传递过程，使得磁流体与管壁面之间的换热增强，热磁对流强度增加，导致Num增大。在相同的磁场强度条件下，适当增大加热功率可以增加磁流体内部的温度差，但当增加到一定程度后(沸点以上)，就会出现汽化现象，反而导致Num下降，这与图4分析的结果一致。另一方面，在较高的磁场强度下，磁性纳米流体中磁性颗粒发生了颗粒链绞合和团聚[14]。

图4 流体流速随加热功率的变化

图5 平均努塞尔数随磁场强度的变化

3.4 磁源位置对磁流体运动状况的影响

图6表示平均努塞尔数随磁源位置的变化关系(ta=10 ℃、tc=10 ℃、B=250 Gs)。由图6分析可知，磁源与冷源(热源)的位置越近，Num越大，当磁源位于中间位置，Num最小。这是因为磁源靠近加热端时，可最大程度地削弱强磁场区域流体的磁化强度，导致该段流体所受磁力的阻力减小；同样，当磁源靠近冷端时，可大大提高磁场区域流体的磁化强度，这使得流体受到的驱动力增大。因此，热磁对流通道内既取决于磁场和温度场本身，还取决与它们的相对位置。温度场与磁场的协同作用决定了流体所受净驱动力的大小，从而决定了热磁对流的强度。当冷(热)源、磁场固定时，尽量选择靠近冷源一侧或者热源一侧的位置，可以获得最大的磁场力和对流传热性能。

图6 平均努塞尔数与磁源位置变化

3.5 冷凝温度对磁流体运动状况的影响

图7表示平均努塞尔数随冷却温度变化(ta=10 ℃、B=250 Gs)。由图7分析可知，当Q=2.54 W，tc=6 ℃时，Num=7.03；当tc=14 ℃，Num=6.4，降幅为8.96%。这是因为冷却温度的下降，不但降低了磁场下游流体的温度，同时降低了上游流体的整体温度，导致流体的温度差别的改变较小，磁热对流驱动力的影响也相对较小，所以整体的流速改变很有限，Num改变不大。

图7 平均努塞尔数随冷却温度变化

4 结论

实验研究了磁性纳米制冷剂Fe3O4-R600a冷却回路在不同工况下的热磁对流特性。结果表明：

1)外磁场对磁性纳米流体的热磁对流换热过程的影响非常明显，回路中的磁流体循环流动和传热性能取决于外磁场的温度的协同作用，合理的冷、热源的位置与磁场分布，有助于提高回路的传热性能。

2)回路中磁热对流的强弱不但取决于磁场和温度场本身，还取决与磁源与冷源(热源)的相对位置，当冷(热)源、磁场固定时，尽量选择靠近冷源一侧或者热源一侧的位置，可以获得最大的磁场力和对流传热性能。

3)冷却温度对回路中流体磁化强度的不平衡性影响较小；流体的流速随加热功率的增加而增大，但稳定后的平衡温度也相应升高，当磁流体温度超过沸点温度后，传热性能下降。

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