水基Fe3O4磁性液体脉动热管传热性能实验研究*

唐正男，苏 磊

(南京工业大学 能源科学与工程学院，江苏 南京 211186)

0 引 言

脉动热管是由AKACHI H等[1-2]于1990年提出的一种传热元件，因其高效传热性能，且相较于普通热管具有结构简单、尺寸小巧、布置灵活、运行无须动力输入等优势[3-4]，受到国内外学者的广泛关注。脉动热管的运行及传热性能受内部工质及热物性影响较大，其中纳米流体作为工质对脉动热管性能有一定的强化作用。

MA等[5]制备了颗粒直径很小的纳米C-H2O液体，纳米颗粒充入脉动热管后，在平稳工作时，纳米流体悬浮性较好，但当管内工质停止脉动运动后，纳米颗粒开始出现沉降现象，同时相比H2O热管具有较好的传热性能；纪林林等[6]通过以纳米级碳管和铜粉制作的混合溶液作为脉动热管工质，研究其传热性能，得出加入混合后的工质的脉动热管传热热阻更低，传热效率更高，启动更快。

磁性液体是一种新型磁性纳米材料，因其独特的性能[7]，被广泛应用于小型热交换器、航天领域和机械工程领域[8-9],例如磁性液体陀螺和加速度器、选矿和自由升降装置[10-13]，并且磁性液体还具有提高冷却和强化传热的能力[14-16]。

陈小潭等[17]采用数值模拟法，针对水基铁磁性流体脉动热管建立模型，得出结论：水基铁磁流体脉动热管的在60%充液率下传热性能最优，磁性液体在≤5%体积浓度，热管外加恒定或梯度磁场时，脉动热管的传热性能随磁场的增强而逐步增强；邱晟华等[18]对充灌磁性液体脉动热管的传热性能进行研究，分析了充液率和外加磁场对热管传热性能的影响，得到结论:Fe3O4磁性液体脉动热管在40%充液率时传热性能最优，当外加一个通直流电的线圈形成0～60 kA/m且平行于热管流动方向的磁场时，脉动热管的传热性能被恶化。

本文将选取磁性液体作为脉动热管的充灌工质，在风冷方式下研究磁性液体质量浓度、充液率、加热功率、热管结构、冷热段长度比等对脉动热管传热热阻和工质导热系数等的影响规律，并与同条件下水工质脉动热管的传热性能进行对比，获得磁性流体脉动热管主要因素对热管传热性能的影响规律。

1 实验装置

1.1 实验测试系统

磁性液体脉动热管传热性能实验测试系统包括脉动热管、加热系统、冷却风道、保温装置、K型热电偶，外加磁场及数据采集系统。

脉动热管为紫铜材料，管内/外径为3 mm/4 mm，总长2.125 m，总高0.026 m，由8根直管段8个弯头组成的闭式等高型结构，热管垂直放置，下部为加热段，上部为冷却段，无绝热段；加热段缠电加热丝加热，并用抽真空保温罩及保温棉隔热保温，加热功率10 W～200 W；冷却段垂直插入自行设计的冷却风道中，风机由直流电源驱动，风速为2.1 m/s。

脉动热管中部冷却段外布置有外加磁场，由NS极磁铁组成，位于热管两侧，由支架固定，强度由SJ200数字高斯计测得，精度0.1 mT。数据采集系统包括OMEGA传感热电偶、Agilent 34970A数据采集仪、插入式模块、计算机及软件组成，测温精度0.05 ℃，数据采集间隔0.1 s。

实验选取1.5%、3%、4.5%、9%和12%这5种浓度的Fe3O4水基磁性液体为工作介质，其中，4.5%浓度的磁性液体为购买的成品，由化学共沉淀法制得，其Fe3O4原生粒直径为5 nm～15 nm，其余4种浓度通过配制获取。

1.2 热管测温点布置及数据处理

热管共设20个测温点，冷却段测点为1～10号，加热段测点为11～20号，热管共14根。

热管的传热温差、传热热阻、热流密度及导热系数由下式计算：

Δt=th-tc

(1)

式中：Δt—传热温差，℃；th—热管热段10个测点的温度平均值;tc—冷段10个测点的温度平均值，℃。

热管的传热阻抗R为：

(2)

式中:R—热管的传热阻，℃/W;Q—传热功率，W。

紫铜管的传热功率Q壁为：

(3)

式中:Q壁—紫铜管的传热功率，W;λ铜—紫铜的导热系数，380 W/m·K;A壁—紫铜外管壁导热面积，m2;δ—导热管冷热端的导热厚度，取热管高度的一半，m。

内部工质传热功率Qg为：

Qg=Q-Q壁

(4)

式中:Qg—内部工质传热功率(即总传热功率减去管壁的导热功率)，W。

热管的导热面积Ag为：

(5)

式中:Ag—热管的导热面积，m;n—直管段数；d0—管内径，m。

工质的导热系数λg为：

(6)

式中:λg—工质的导热系数，W/m·K。

2 水基Fe3O4磁性液体脉动热管性能分析

2.1 磁性液体质量浓度对热管性能的影响

笔者研究质量浓度对热管传热性能的影响，通过试验测试了蒸馏水工质，1.5%，3%，4.5%，9%，12%这5种磁性流体质量浓度的脉动热管在相同8弯头等高结构、50%充液率、14 ∶12冷热段长度比和无外磁场作用下，脉动热管稳定运行时传热性能随加热功率的变化情况，先后为热阻和热传导系数。测量结果如图1所示。

图1 浓度对热管热阻及热传导热系数影响

图1结果显示：1.5%、3%和4.5%质量浓度的磁性液体的传热性能都优于纯水热管，但9%和12%浓度热管传热性能较纯水热管差；热管的传热热阻随加热功率的升高呈快速下降，再缓慢降低直至稳定的变化规律；而热管的热导率随加热功率升高呈波动上升趋势。4.5%浓度热管的传热性能最优，10 W时的热阻为0.621 4 ℃/W，热导率3 405 W/(m·K)；

200 W时热阻降到0.017 7 ℃/W，热导率升高到129 109 W/(m·K)，是铜管热导热率(380 W/(m·K))的340倍，是水热管的10倍左右。因此本研究总结出适宜浓度的磁性液体可大大降低热管的传热热阻，改善热管的传热及传导性能，过小的浓度对脉动热管传热性能的强化作用减弱，而过高的浓度又会降低热管的传热性能。

原因在于：在水(基载液)中添加一定浓度的Fe3O4磁性颗粒，使悬浮于水中的纳米级磁性颗粒和游离的表面活性剂分子数比例增加，相当于增添了水工质汽化核心的数量，促进了水工质的相变汽化，从而强化了脉动热管的传热性能，但较小的浓度，强化传热性能的能力减弱；当磁性流体浓度较高时，管内工质的粘度大大增加，振荡阻力加大，不利于热管内部工质的振荡流动，从而恶化了热管的传热性能。

2.2 冷热段长度比对热管传热性能的影响

笔者研究了热管冷热段长度比对热管传热性能的影响，通过试验测试了12 ∶14、14 ∶12、16.5 ∶9.5这3种冷热段长度比的脉动热管在相同的8弯头等高结构，50%充液率，4.5%浓度，无外磁场时热管传热性能随加热功率的变化情况，测量结果如图2所示。

图2 冷热段长度比对热管传热热阻的影响

图2显示了3种冷热段长度比的热管热阻随加热功率的变化曲线，加热功率40 W以下时，3种冷热段长度比热管的热阻变化差别较小；在40 W以上加热功率时，3根热管热阻开始出现较大差别，其中14 ∶12热管的传热性能最优，热阻最低(0.621 5 ℃/W～0.017 8 ℃/W)，其次是12 ∶14型，16.5 ∶9.5热管的热阻最大(0.556 9 ℃/W～0.052 1 ℃/W)。

原因在于：在风冷方式下，因风冷却能力的限制，冷却段稍长于加热段更利于水基Fe3O4磁性液体脉动热管传热和传导性能的强化。但冷却段过长(16.5 ∶9.5)，管内冷却速度加快，而加热段减小，使热段工质气化速度减慢，推动力不足，工质流动换热变弱；不利于管内工质的流动和热量传递，从而降低了热管的传热性能。

2.3 充液率对热管传热性能的影响

笔者研究充液率对热管传热性能的影响，通过试验测试了30%、50%、70%这3种充液率下脉动热管在相同8弯头等高结构、4.5%磁性液体质量浓度、14 ∶12冷热段长度比和无外磁场作用下，脉动热管稳定运行时传热性能随加热功率的变化情况。测量结果如图3所示。

由于人员经费和维持公用经费的非专项资金无法到位，导致教育专项资金被挪用的问题普遍，专项资金的使用效果、使用效率会降低。从专项资金被挪用、被滞留和被隐匿的实际情况来看，这些现象的出现都和非专项资金投入力度不够相关。

图3 充液率对热管传热热阻

由图3传热热阻随加热功率的变化曲线可知：50%热管的热阻一直最小，其次为30%热管，最差的是70%热管(1.127 ℃/W～0.080 3 ℃/W)。另外，加热功率低于100 W时，充液率对脉动热管传热热阻的影响较明显，而随着功率继续上升影响逐渐缩小。

原因在于：充液率较大的热管，内部工质运动需要更大的推动力，但因相变空间受限，限制了工质的汽化，汽化产生的推动力减小。充液率较小利于工质的汽化，但工质流动质量流量随充液率的减小而降低，从而限制了工质传热功率的增大，因此50%充液率热管表现出更好的传热性能。

2.4 结构型式对热管传热性能的影响

笔者研究结构型式对热管传热性能的影响，通过试验测试了在确定管长下3种结构(8弯头等高，12弯头渐高，14弯头高低)型式脉动热管，在相同4.5%磁性液体质量浓度、50%充液率、14 ∶12冷热段长度比和无外磁场作用下，脉动热管稳定运行时传热性能随加热功率的变化情况。测量结果如图4所示。

图4 结构对热管传热热阻的影响

由图4传热热阻随加热功率的变化曲线可知：不等高结构对脉动热管传热流动的强化作用小于脉动热管弯头数增加对传热流动的阻碍作用，且弯头数增加得越多，传热性能下降得越明显，8弯头等高型热管的热阻(0.621 5 ℃/W～0.017 8 ℃/W)明显低于12弯头(0.833 4 ℃/W～0.078 77 ℃/W)和14弯头非等高结构热管(0.843 6 ℃/W～0.076 7 ℃/W)。

原因在于：虽然不等高结构可以增加相邻管之间的重力不平衡势差，利于工质的在相邻管间的流动，但其作用远低于弯头产生的局部阻力对流动的阻碍。因此较少弯头更利于工质的流动，且提高了热管传热性能。另外，随加热功率的增加，两种非等高结构脉动热管的热阻相对于等高结构热管的热阻的增幅减小。

2.5 外加磁场对磁性液体脉动热管性能影响

基于水基Fe3O4磁性液体在磁场作用下会显现磁性等特性，笔者研究磁场强度及磁力线与工质流动方向所呈角度对热管传热性能的影响，通过试验测试放置在无磁场、16.5 Mt磁场强度(磁力线方向与工质流动方向所呈角度为90°)和16.5 Mt磁场强度(磁力线方向与工质流动方向所呈角度为60°)的脉动热管，在8弯头等高型结构、4.5%磁性液体质量浓度、14 ∶12冷热段长度比，50%充液率条件下，脉动热管稳定运行时传热性能随加热功率的变化情况。测量结果如图5所示。

图5 磁场对脉动热管传热热阻的影响

由图5可以知：当加热功率低于120 W时，热管的传热性能受外磁场的影响作用较明显，传热性能都有一定程度的恶化；同时由16.5 Mt(60°)条件下热阻范围(0.014 3 ℃/W～0.598 ℃/W)，16.5 Mt(90°)条件下热阻范围(0.8 ℃/W～0.021 ℃/W)可以得出：磁力线方向与管内工质流动方向呈90°时，热管的传热性能较倾斜放置磁场(60°)的性能差，高加热功率时(≥120 W)，磁场对其影响作用减小。

3 结束语

本文针对水基Fe3O4磁性液体脉动热管传热性能进行了实验研究。研究结果如下：

(1)1.5%、3%和4.5%质量浓度的磁性液体的传热性能优于纯水热管，4.5%浓度热管的传热性能和热导率最优，但9%和12%浓度热管的传热性能较纯水热管差，最佳磁性液体质量浓度为4.5%，其最小热阻可达0.017 7 ℃/W，对应的热导率为129 109 W/(m·K),是铜管热导率的340倍，水脉动热管的10倍左右；

(2)风冷方式下，40 W以上加热功率下，冷却段略长于加热段的14:12型热管的传热性能较好；

(3)30%、50%和70%充液率下，充液率对热管传热性能的影响在中小功率时更明显，50%充液率热管的传热性能和热导率最优，200 W时，50%热管的热导率是30%热管的3.5倍，是70%热管的5倍；

(4)不对称结构对脉动热管的传热性能强化作用小于弯头数增加对脉动热管传热性能的阻碍作用，弯头数越多，热管的传热性能越差，8弯头等高型热管的热性能优于两种非对称结构热管；

(5)加热功率≤120 W时，外加磁场后热管的传热性能受其影响明显，磁场方向与管内工质流动方向角度越大传热性能越差；加热功率≥120 W，磁场及其角度对其影响作用减小。