【doc】水基磁性流体水平加热棒下的池沸腾传热实验研究

【doc】水基磁性流体水平加热棒下的池沸腾传热实验研究 水基磁性流体水平加热棒下的池沸腾传热 实验研究 第l2卷1期 2004年3月 应用基础与工程科学 JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERING V01.12.No.1 March2OO4 文章编号:100542930(2004)-0142061-06中图分类号:TK124文献标识码:A 水基磁性流体水平加热棒下的 池沸腾传热实验研究 刘俊红,陆明琦,刘辉2,连之伟,顾建明 (1.上海交通大学制冷与低温研究所,上海200030;2.安徽金科磁性液体有限公司,安徽马鞍山243000) 摘要:研究了磁性微粒浓度,外加磁场对水基磁性流体在水平加热棒加热情况下 的沸腾传热影响.实验结果显示,磁性微粒浓度,外加磁场对磁性流体的沸腾换 热有很大影响.高浓度的磁粒浓度使磁性流体沸腾换热恶化,对于中低浓度的磁 性流体,存在一个最优的磁粒浓度,在该浓度下沸腾传热的强化效果最显着,施 加磁场时该结论仍然成立.施加磁场使磁性流体的沸腾传热强化. 关键词:磁性流体;池沸腾;水平;传热 磁性流体(magneticfluid),也称磁性液体(magneticliquid),是由纳米级的铁磁性微 细颗粒借助于表面活性剂稳定地分散于基液(水,煤油,氟利昂等)中的胶体溶液,是一种 新型的纳米和液体功能材料.它兼有液体和磁性材料的双重性质,即使在重力,离心力或 强磁场的作用下也不会产生分离现象,是目前国内外尖端的纳米技术之一,已大量用于密 封,阻尼,研磨,医疗,传感器,能量转换等领域. 在磁场作用下磁性流体可作为一种新型传热工质有效地强化和控制传热,在热力工 程和相关领域有很大的应用性?J.目前对磁性流体在传热领域的研究,主要集中在自然 对流,对其沸腾换热的研究较少L24..对磁性流体的池沸腾传热,作者已通过水和水基磁性 流体池沸腾的初步实验对比得出以下结论J:水基磁性流体比其基液——水增强沸腾换 热,且沸腾换热系数的增加倍数随热流量的增大而增大;施加磁场可使磁性流体增强沸腾 换热的效果更加显着.本文将通过改变磁性流体中磁性微粒的浓度和磁场强度,展开对磁 性流体沸腾换热的进一步研究,确定磁性流体沸腾换热的影响因素. 1实验装置 用于该池沸腾研究的实验装置如图1所示.实验容器用1mm厚的铜板加工而成,尺 寸为150ram×100mm×180mm,为了保证在低热流密度下液体维持饱和状态,在沸腾容器 外面加设一个容器,其内装有辅助加热器.外容器尺寸为250mm×140mm×210mm,两层 壁之间的空间充满水,藉助辅助加热器来保持液体池处于沸腾状态,以便消除向周围环境 的热损失,并可在实验开始时升高液体池的温度.设置回流冷凝器以冷凝沸腾池中产生的 收稿日期:2003—10-06;修订日期:2003—12-31 作者简介:刘俊红(1973一),女,讲师,在职博士研究生 62应用基础与工程科学Vo1.12 (a)(b) 1.辅助加热器2.测液温热电偶3.主加热器4.观察窗5.冷凝器 蒸汽,并保持大气压下的沸腾.因为 加热元件上液体液位足够高,所以 过冷冷凝液的回流不会对实验结果 产生影响.加热元件表面上的沸腾 情况可通过设置在内部容器前后的 石英玻璃窗(80mm×120mm)进行 观察. 加热棒壁面温度和实验工质主 体温度用外径为0.2mm的铜一康铜 热电偶进行测量,用Keithley2700 数据采集/数字多用表采集记录.测 图1实验装置示意图量壁面温度的热电偶为3个,采用 Fig.ISchematicofexpenment~apparatus等温线敷设法均匀分布在加热器的 有效加热段上,取其平均值为加热段的壁温.铜一康铜热电偶均经标定,误差小于0.1?. 加热元件为直径8mm的L形铜加热棒,水平段为加热段,有效加热长度为110mm,为减少 端部热损失,在其端部垫厚5mm的云母片,功率200W.其加热功率可通过调压器进行调 节.热流密度用公式q=W/A来计算,其中为加热功率,A为加热棒的有效加热面积. 本实验以核态池沸腾为研究目标,外加磁场由放置在容器下部的方形钕铁硼永磁铁 来提供.永磁铁长120mm,宽50mm,厚10mm,表面磁场强度约为9.55×10A/m.实验工 质分别为水和水基磁性流体.磁性流体由安徽金科磁性液体有限公司研制提供的W-020 型磁性流体,其密度为1200kg/In,磁饱和强度为1.24×10A/m,磁性微粒为Fe30. 每次实验,工质都充到液位75mm处,室温保持恒定,从而认为实验过程中通过沸腾 池观察窗的热损失对于两种工质来说相等.实验时加热功率的调节是由大到小,先设在加 热器最大功率处加热工质,同时打开辅助加热器,等工质和水浴中的水温度稳定后,调节 加热功率到设定的最大值,待温度稳定后采集数据,然后调小功率重复同样的步骤.外加 磁场强度的改变是通过改变永磁铁在沸腾容器下的垂直位置实现的,距离由9mm调节到 59mm,每次变化10mm.磁性微粒浓度采用的是质量浓度wt%,它的改变是通过用纯净水 稀释来实现的,计算时需要减去试验中沉积在加热元件上的凝结颗粒.改变磁性微粒浓度 时,对加热元件的表面进行打磨,清洁. 先用水进行实验,测得其在设定加热功率下的温度值;然后做无磁场时水基磁性流体 开始用实的实验,测其在对应功率下的温度值;最后作施加外磁场时的沸腾实验.验装置 为图1a,因为外加磁场间隔两层铜板和板间的液体对磁性流体进行作用,所受阻碍较大. 为了进一步加强磁场的作用,对实验装置进行改造,如图1b,磁场仅与磁性流体间隔一层 铜板,进行了磁粒浓度为12.9%和9.9%的沸腾实验. 2实验结果与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 尽管实验用沸腾容器设置了玻璃观察窗,但由于磁性流体是近黑色(浓度低时呈深 褐色)的不透明液体,肉眼无法透过玻璃窗观察到溶液中加热器表面上的沸腾现象,只能 刘俊红等:水基磁性流体水平加热棒下的池沸腾传热实验研究63 通过观察窗看到液面上的沸腾现象.初始液面上布满厚厚的一层泡沫,加热约 15min后, 可以透过玻璃视窗看到泡沫层有波动,然后可以看到大的气泡在液面上冲破泡沫层破裂, 形成气泡运动区,该气泡运动区域不断扩大,减小泡沫所占面积,最后泡沫完全消失.大加 热功率下沸腾时,液面波动非常厉害,有气泡向上飞溅,越出液面很高才进行破裂;而功率 减小后液面波动和气泡的运动减弱. 因为磁性流体中含有纳米颗粒,其沸腾温度与其基液水相比有所改变,取无磁场,最 高加热功率时沸腾达稳定状态后液体温度的平均值为磁性流体的沸腾温度,q,?f曲线 的过热度At为壁面温度与沸腾温度的差值.尽管改变工况时,有些不同工况下的温度测 量值相差很小,有的甚至在误差范围之内.但因为该工况下每一温度测量值都与前一工况 相比有相同的变化趋势,而且试验数据处理时采用的是温度差,故认为该工况下的温度测 量值是可信的.热流密度q的相对误差5.84%. 2.1浓度对沸腾换热的影响 图2显示了无外加磁场作用时磁粒浓度对磁性流体沸腾传热的影响.由图可以看出, +O%—?一129%+l7.2%—卜20-3% +9.9%十15.8%+l8.7% 20.3wt%的磁粒浓度使得过热度在实验范围 内比其基液水(0wt%)的要大的多,且过热度 随热流的增加而增大;18.7wt%的磁粒浓度 在热流小时其过热度比水的要小,而热流增 大后,过热度增大的速度远超过水的过热度 增加,使得传热恶化.即高浓度的磁粒浓度使 图2无磁声作用时的沸腾曲线 Fig.2Intheabsence.fmagneticfield星 磁性流体沸腾换热恶化,恶化程度随热流增 加而增加.对于中低浓度的磁性流体,其过 热度均比水的要小,强化了沸腾传热.随着 磁粒浓度的逐步减小,过热度也逐步减小, 但减小到一定浓度(12.9wt%)时,过热度反 此对于中低浓度的磁性流体,随着浓度的降图.永距器底部29m处时曲线 低,存在一个最优的磁粒浓度,在该浓度下Fig.岫!cemndd 沸腾传热的强化效果最显着.施加磁场时该"" 结论仍然成立,如图3永磁铁距沸腾容器底部29mm处时的沸腾曲线所示. 在液体中添加纳米颗粒可增加溶液的导热系数,从而增强其沸腾过程中热量的瞬态 O5O5O5O5O5O5O lOO9988776655 一莎lb 应用基础与工程科学 热传导能力;并且沸腾时颗粒间的碰撞及其与换热壁面的碰撞有利于增强换热壁面与 液相间的对流换热,促进气泡在加热表面的脱离.磁性流体中磁性微粒的含量决定着磁性 流体的稳定性,而稳定性的好坏又影响其磁性能. 在Fe0粒子粒径和表面活性剂量一定的条件下,Fe,O4粒子含量少,磁性流体稳定 性好,但其磁性能不高.而Fe0粒子含量多,相邻两磁性微粒间的范德华引力增大,磁性 微粒间易凝聚成团,有一部分磁性微粒会发生沉淀,使得磁性流体的磁性能劣化,这在实 验中得到了验证.高浓度磁性流体沸腾实验后改变工况清洁加热棒表面时,可以观察到加 热棒的表面上凝聚了厚厚的一层固体微粒.浓度越高,凝聚的微粒厚度越大.减小浓度到 一 定程度,加热棒表面上不再有微粒凝聚附着,而只是有薄薄的一层褐色薄膜附着在表面 上,用水很容易冲洗下去.浓度更低时,加热棒表面上很光洁,无任何东西附着. 因此,磁性微粒浓度高时,磁性微粒在加热元件上凝聚,大大增加了热阻,并使磁性能 降低;浓度低时,磁性能不高.可以推测,只有当磁性微粒的浓度在沸腾过程中不会产生凝 聚,并使磁性流体的稳定性好,磁性能高时,才是最优的磁性微粒浓度. 2.2磁场对沸腾换热的影响 图4,图5显示了20.3wt%,18.7wt%浓度下磁场位置对沸腾换热的影响. 图420.3%浓度下的沸腾换热曲线 Fig.4Atmagnetiteconcentration20.3% 图518.7%浓度下的沸腾换热曲线 Fig.5Atmagnetiteconcentration18.7% 高浓度时施加磁场使磁性流体的过热度比未施加磁场时有轻微的减小,且随热流增 加,过热度减小的值略有增大.可能是由于高浓度下的磁性微粒易凝聚成团,形成沉淀,影 响磁性流体的磁性能,故磁场的作用有些杂乱. 浓度减小后,磁性流体的稳定性增强,外加磁场的作用明显,如图6,图7所示.施加 磁场增强了磁性流体的沸腾换热.强化的原因可能是由于磁性流体是一种超顺磁体,在磁 场作用下被磁场力吸引到磁场方向.但磁性流体中的非磁性体反而向磁场弱的方向移动, 使磁性流体中的非磁性体受到磁悬浮力.因此磁性流体沸腾时所产生的气泡会受到指向 低磁场强度方向的磁悬浮力.该磁悬浮力可减少气泡的最小生成半径,并加速沸腾所生成 的气泡的脱离.从图6,图7中还可以看出,永磁铁距离容器底部49mm时的强化效果最显 着,随着距离的减小,强化效果反而减弱.这是一个很有意思的结果,有待于进一步的理论 解释. 刘俊红等:水基磁性流体水平加热棒下的池沸腾传热实验研究65 图616.5%浓度下的沸腾换热曲线 Fig.6Atmagnetiteconcentration16.5% ? 图712.9%浓度下的沸腾换热曲线 Fig.7Atmagnetiteconcentration12.9% 与水相比,实验范围内最优磁粒浓度下. 磁场影响最显着的沸腾换热对比如图8所l0.5 示.从图中可以看出,磁性流体的沸腾传热比:': 水强化了多达l2倍,施加磁场比未加磁场时9.0 进一步强化,达2倍多.磁场对本实验的影响: 不如参考文献[5]的那么显着,其原因可能7.5 是:(1)本实验的永磁铁离沸腾加热表面太 远,使得加热面处磁场的影响效果较弱,提供6.0 给磁性流体的磁场力很小.(2)永磁铁的大 小,形状不同,磁力线的分布有异,从而使磁 产生的气泡所受磁场力的大图 812.9%浓度时的沸腾换热对比小 , 方向不同?g.8二二.9% 3结论 (1)高浓度的磁粒浓度使磁性流体沸腾 换热恶化,恶化程度随热流增加而增加.对于中低浓度的磁性流体,随着浓度的降低,存在 一 个最优的磁粒浓度,在该浓度下沸腾传热的强化效果最显着.施加磁场时该结论仍然 成立. (2)高浓度时施加磁场使磁性流体的过热度比未施加磁场时有轻微的减小,且随热 流增加,过热度减小的值略有增大.浓度减小后,外加磁场的强化效果更加显着. 参考文献 [1]刘俊红,顾建明.磁性流体的热力学特性和应用[J].功能材料与器件,2002,3:314-318 LiuJunhong,GuJianming.Thermodynamiccharacteristicsandapplicationofmagneticflui d[J].JournalofFunctional MaterialsandDevices,2002,8(3):314-318 [23TakahashM,ShinboK,OhkawaR,eta1.Nucleatepoolboilingheattransferofmagneticfl uidinamagneticfield[J]. Journalofl~ltgnetismandMagneticMaterials,1993,122:301-304 66应用基础与工程科学V01.12 [3]BashtovoiVG,ChallantB,VolkovaOYu.Boilingheattransferinmagneticfluids[J].Journ alofMagnetismand MagneticMaterials,1993,122:305-308 [4] [5] [6] ShinichiKamiyanm,JunIshimoto.Boilingtwo—phaseflowsofmagneticfluidinanon—uniformmagneticfield[J]. 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Theexperimentsshowthattheheattransferofthedensemagneticfluidwasreduced whiletherewasanoptimummagnetiteconcentrationinwhichtheenhaneement0f heattransferwasbestforthedilutemagnetiteparticles;thisconclusionwasthesalne withtheappliedmagneticfield.Theappliedmagneticfieldmadetheboilingheat transferofmagneticfluidenhance. Keywords:magneticfluid;poolboilinghorizontal;heattransfer;enhance