專利名稱：磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置。
技術(shù)背景隨著納米材料科學(xué)的迅速發(fā)展，納米顆粒的工業(yè)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)，自九十年代以來(lái)，研 究人員開始探索將納米材料技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域。1995年，美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 研究者首先開展在液體工質(zhì)中添加納米粉以強(qiáng)化傳熱的研究，并首先提出納米流體的概念。 納米流體是指將介于1 100納米的金屬、金屬氧化物、氮化物、碳化物、非金屬等納米顆粒 ，通過(guò)加入或不加分散劑的方法分散到水、油、乙二醇等傳統(tǒng)的工質(zhì)中而形成的納米流體。納米材料因具有小尺寸效應(yīng)，其行為接近于液體分子，與傳統(tǒng)傳熱流體或含有微米級(jí)固 體顆粒的流體相比，納米流體具有諸多優(yōu)點(diǎn)(l)納米顆粒具有較大的比表面，它有望大幅度 提高流體的導(dǎo)熱能力和熱容量，從而降低循環(huán)泵的能耗，降低成本，減輕熱交換器的體積。 (2)因納米顆粒尺度較小，其在流體介質(zhì)中的布朗運(yùn)動(dòng)能抵御重力引起的聚沉，從而可長(zhǎng)時(shí) 間保持穩(wěn)定懸浮。(3)由于其粒徑較小，也可以作為潤(rùn)滑介質(zhì)，從而減輕管道和設(shè)備的磨損 。(4)由于納米顆粒粒徑較小，還有望和熱管結(jié)合起來(lái)而發(fā)展新型微型換熱設(shè)備，特別應(yīng)用 在微電子和信息領(lǐng)域。納米流體的研究和應(yīng)用為許多高科技領(lǐng)域方面一些難題的解決提供了新的方法和思路， 如(l)利用納米流體可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在更優(yōu)化的溫度下工作，使冷卻系統(tǒng)做得更小、更輕，從 而節(jié)省燃料耗量。(2)用于機(jī)械加工的刀具冷卻，可提高工件的加工速度、精度，并延長(zhǎng)刀 具的使用壽命。(3)用于電力電子工業(yè)，散熱問(wèn)題是很多器件如計(jì)算機(jī)、微電子、微電機(jī)、 大型電機(jī)、變壓器、集成電路、通訊系統(tǒng)等的運(yùn)行效率、速度、壽命的重要制約因素，高效 納米流體冷卻技術(shù)則可發(fā)揮重要作用。(4)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷媒和太陽(yáng)能回收中的熱媒 ，可以大大提高其換熱性能，減小體積，提高效率。(5)用于制造各種更高效的換熱器、散 熱器和熱管換熱器件等。納米流體作為一種新型的強(qiáng)化傳熱工質(zhì)，主要應(yīng)用于兩相流流動(dòng)與傳熱方面，特別是氣 液兩相流動(dòng)將是大幅度提高換熱效果的有效途徑。但目前納米流體的研究還主要集中在管內(nèi) 強(qiáng)制單相流動(dòng)上以及池內(nèi)沸騰換熱。而對(duì)于納米流體在外加磁場(chǎng)條件下的相變沸騰換熱還未 曾見(jiàn)到。發(fā)明內(nèi)容為了解決磁場(chǎng)作用下納米流體強(qiáng)化真空熱管傳熱特性的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種磁場(chǎng) 作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是包括真空熱管，真空熱管內(nèi)裝有納米流體，真 空熱管的下部繞有電熱絲，電熱絲的外側(cè)設(shè)有保溫層，真空熱管的上部置于冷凝管中，冷凝 管設(shè)有進(jìn)口端、出口端，進(jìn)口端經(jīng)管道、流量計(jì)與水槽相連，真空熱管的外側(cè)設(shè)有螺旋線圈 ，螺旋線圈與調(diào)壓器相連，多個(gè)測(cè)溫裝置從上往下置于真空熱管外表壁，測(cè)溫裝置的輸出端 與數(shù)據(jù)記錄儀相連。上述的磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置中，所述測(cè)溫裝置為熱電偶。本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便，是一種較好的磁場(chǎng)作用 下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置；本發(fā)明可通過(guò)改變磁場(chǎng)的大小，測(cè)試熱管換熱系 數(shù)的變化，確定其最佳換熱工況；本發(fā)明通過(guò)施加一個(gè)與重力方向相反的磁場(chǎng)力必定會(huì)克服 重力不至于使磁性納米流體沉降，從而保持較好的穩(wěn)定性，有利于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。下面給合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明中磁流體熱管冷凝段進(jìn)出口溫度差與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖l，本發(fā)明包括真空熱管l，真空熱管1的下部繞有電熱絲17，電熱絲17的外側(cè)設(shè) 有保溫層6，真空熱管1的上部置于冷凝管3中，冷凝管3設(shè)有進(jìn)口端9、出口端2，進(jìn)口端9經(jīng) 管道與流量計(jì)IO、水槽14相連，水槽14位于高處，用水泵11從低位水槽13中抽水到水槽14中 ，真空熱管1的外側(cè)設(shè)螺旋線圈16，螺旋線圈16與調(diào)壓器15相連，真空熱管l外表從上到下設(shè) 有多個(gè)熱電偶8用于測(cè)量熱管1的溫度，熱電偶8的輸出端與數(shù)據(jù)記錄儀12相連。分別稱取納米Fe304 0. 5g， l.Og， 2. 5g， 5g， 10g;平均粒徑50nm， 將稱出的納米材料 分別加到500ml去離子水，形成磁納米粒子懸浮液，然后輔以超聲振動(dòng)，以獲得懸浮穩(wěn)定的 納米流體懸浮液。在本實(shí)驗(yàn)中，保持超聲波的功率和頻率不變，對(duì)每種納米流體分別作用 4-8個(gè)小時(shí)，制備實(shí)驗(yàn)所需的納米流體。將配置好的磁性納米流體充進(jìn)熱管中，然后將熱管抽成真空，并密封。熱管的充液率為 加熱段的50%。熱管采用銅管，銅管長(zhǎng)1065mm，外徑12. 5 mm，內(nèi)徑10mm，熱管蒸發(fā)段長(zhǎng) 503mm，冷凝段長(zhǎng)506mm。通過(guò)穩(wěn)壓器由一個(gè)250w的電加熱帶給熱管蒸發(fā)段加熱，冷凝段通過(guò)外套冷凝管用冷卻水冷卻。熱虹吸管傳輸?shù)臒崃髁堪蠢鋮s水帶走的熱量計(jì)算。冷卻水進(jìn)、出 口溫度分別用兩根O. l級(jí)溫度計(jì)測(cè)量。為了保證冷卻水流量穩(wěn)定，采用帶溢流環(huán)的2500mm高 的高位水槽經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)供給冷卻水。熱管的管壁溫度均采用熱電偶測(cè)量:蒸發(fā)段管壁溫度 由4對(duì)鎳鉻一鎳硅熱電偶測(cè)量。絕熱段由 一對(duì)鎳鉻一鎳硅熱電偶測(cè)量。Q輸出二C流體XG冷卻水流量X (T出一T進(jìn)) 上式中Q輸出表示輸出的熱量;c流體表示流體的比熱；G冷卻水流量表示冷卻水的流量；T進(jìn)、T出分別表示冷卻水的進(jìn)、出口溫度。本實(shí)驗(yàn)中熱管l的冷凝段采用來(lái)自穩(wěn)壓的高位水箱14的水冷卻，改變水路閥門的開啟度 能調(diào)節(jié)冷卻水流量。從而調(diào)節(jié)熱管的冷卻負(fù)荷的。水的換熱能力很強(qiáng)，這種實(shí)驗(yàn)臺(tái)投資少， 使用方便，實(shí)驗(yàn)功率可以達(dá)到很高。本實(shí)驗(yàn)中采用8個(gè)熱電偶測(cè)量熱管蒸發(fā)端、絕緣端、冷凝端的壁面溫度，蒸發(fā)端蒸發(fā)端進(jìn)、出口溫度和冷凝端進(jìn)、出口溫度均采用熱電阻測(cè)量。使用直徑為①0. 1-0. 3mm的熱電偶 ，將熱節(jié)點(diǎn)焊接在殼壁上測(cè)量壁表面溫度。測(cè)量蒸發(fā)端進(jìn)、出口溫度和冷凝端進(jìn)、出口溫度 時(shí)，將橡皮塞中間打一小孔將熱電阻穿入密封伸入流體中。熱電偶、熱電阻接入數(shù)據(jù)記錄儀 12中。由于熱管在用電加熱帶加熱時(shí)，加熱段向周圍環(huán)境散熱，而且散熱量無(wú)法計(jì)算，因此， 加熱段的加熱量無(wú)法計(jì)算，故系統(tǒng)所傳輸?shù)臒崃恳膊荒芡ㄟ^(guò)加熱段得到。本實(shí)驗(yàn)的熱虹吸管 傳輸?shù)臒崃髁渴前蠢鋮s水帶走的熱量為準(zhǔn)計(jì)算的。為了保證冷卻水流量穩(wěn)定，采用帶溢流環(huán) 的、2500毫米高的高位水槽經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)供給冷卻水，進(jìn)、出口水溫用O. l級(jí)精密溫度計(jì)測(cè) 量。冷卻水的流量以實(shí)驗(yàn)過(guò)程的平均流量為準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)用精度為l秒的秒表。因本實(shí)驗(yàn)采用冷卻段冷卻水帶走的熱量作為熱管的傳輸熱量，所以要求有穩(wěn)定可靠的保 溫措施，在加熱段的外層設(shè)有保溫層6。為了更好的給磁性流體納米熱管施加一定的磁場(chǎng)，且可任意地調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的大小，本實(shí)驗(yàn) 中采用調(diào)壓器給螺旋線圈供直流電來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明中磁流體熱管冷凝段進(jìn)出口溫度差與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的關(guān)系圖。當(dāng) 磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)，隨著時(shí)間的變化，外加沿軸向上磁場(chǎng)時(shí)磁流體熱管冷凝段進(jìn)出口溫度差也 隨之發(fā)生波動(dòng)。不加磁場(chǎng)即磁場(chǎng)強(qiáng)度是o Gs時(shí)，進(jìn)出口溫差最小，這說(shuō)明換熱能力最小。隨 著所加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，進(jìn)出口溫差隨著增大，這也就說(shuō)明，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度 的增加，熱管的換熱性不斷增強(qiáng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為103Gs時(shí)與不加磁場(chǎng)時(shí)相比換熱性能提高80呢左右，分析原因是由于磁場(chǎng)方向與重力在熱管軸向的分力方向相同，熱管的表觀密度隨著磁場(chǎng) 強(qiáng)度的增加不斷增加，磁流體處于超重狀態(tài)，使磁流體內(nèi)部的熱對(duì)流得到強(qiáng)化因此熱管的 換熱性能不斷增加。
權(quán)利要求
1.一種磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括真空熱管(1)，真空熱管(1)內(nèi)裝有納米流體，真空熱管(1)的下部繞有電熱絲(17)，電熱絲(17)的外側(cè)設(shè)有保溫層(6)，真空熱管(1)的上部置于冷凝管(3)中，冷凝管(3)設(shè)有進(jìn)口端(9)、出口端(2)，進(jìn)口端(9)經(jīng)管道、流量計(jì)(10)與水槽(14)相連，真空熱管(1)的外側(cè)設(shè)有螺旋線圈(16)，螺旋線圈(16)與調(diào)壓器(15)相連，多個(gè)測(cè)溫裝置(8)從上往下置于真空熱管(1)外表壁，測(cè)溫裝置(8)的輸出端與數(shù)據(jù)記錄儀(12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí) 驗(yàn)裝置，其特征在于所述測(cè)溫裝置(8)為熱電偶。
3.根據(jù)權(quán)利要求所述的磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí) 驗(yàn)裝置，其特征在于所述納米流體采用Fe304磁性納米顆粒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)裝置。它包括真空熱管(1)，真空熱管(1)內(nèi)裝有納米流體，真空熱管(1)的下部繞有電熱絲(17)，電熱絲(17)的外側(cè)設(shè)有保溫層(6)，真空熱管(1)的上部置于冷凝管(3)中，冷凝管(3)設(shè)有進(jìn)口端(9)、出口端(2)，進(jìn)口端(9)經(jīng)管道、流量計(jì)(10)與水槽(14)相連，真空熱管(1)的外側(cè)設(shè)有螺旋線圈(16)，螺旋線圈(16)與調(diào)壓器(15)相連，多個(gè)熱電偶(8)從上往下置于真空熱管(1)外表壁，熱電偶(8)的輸出端與數(shù)據(jù)記錄儀(12)相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便，可以測(cè)量不同磁場(chǎng)作用下納米流體真空熱管的傳熱特性。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101581683SQ200910303789
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者張?jiān)品? 張英才, 焦玉琳, 王新華 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙理工大學(xué)