CN106950248A - 一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法 - Google Patents

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王惜慧
王芷咏
祖帅飞
刘振洋
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Abstract

本发明公开了一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，基于纳米流体传热测试***，包括步骤：(1) 启动循环泵，通过温控装置调节隔热箱内加热热阻将电能以转化成热能Q通过管壁传递给管内流体；(2) 通过调节流量计来控制管路中液体流量qm；(3) 当隔热箱中温度测试***现实温度稳定后，通过各测温***记录第一测温点、第二测温点、第三测温点的管外壁温和管内流体温度；(4) 根据管外壁温和管内流体温度算出平均温差△t；(5)求出从管外壁传递到流体工质的热量Q；(6) 推导出纳米流体传热系数。本发明可计算出动态传热系数，测试出25~100℃大温跨时磁性纳米流体传热系数的变化，从而能够补充现有测试方法的不足。

Description

一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法
技术领域
本发明涉及纳米流体传热系数测试方法，具体涉及一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法。
背景技术
目前，在提高内燃机散热性能的研究当中，通常会采用两种方法，一种是改进内燃机冷却腔结构，另外一种是采用具有更高效传热性能的传热工质。
随着科学技术的发展和全球能源问题的日益凸显，强化传热已成为传热学中十分重要的一个研究领域。今年来有关纳米材料的制备与研究的发展使纳米颗粒加入流体中以强化传热得到了快速发展。由于磁性纳米流体优越的传热特性，使其受到了科学家的青睐。传热系数k衡量了传热过程的剧烈程度，因此传热系数的计算也成为传热学中一项重要的计算。
纳米流体是指将纳米粒子分散到基液(水、油、乙二醇等)中，而形成的均一、稳定的高导热系数流体，最早在1995年由美国Argonne实验室的Choi等人首次提出。近年来，通过对纳米流体传热特性和机理的不断探索，发现纳米流体具有良好的导热性能，而含有磁性纳米粒子的磁性纳米流体还具备磁场响应能力。对于纳米流体而言，在基液中加入纳米粒子，由于粒子的粒径小，液体与粒子之间的界面积也有相应的提高，两者之间的热传递也就越有效，从而相较基液来说，导热系数就有了提高。如体积比为5％的CuO-水纳米流体的导热系数就比水提高高了接近60％以上。
对于纳米流体强化传热性能的测试，必不可少测定其传热系数，传热系数的大小决定着强化性能的强弱。较近的，Li和Peterson研究CuO和Al2O3水系纳米流体的导热系数，考虑到不同温度与不同体积分数对导热系数的影响，结果表明纳米粒子种类、尺寸、体积分数以及温度对导热系数都有很大的影响。例如，Al2O3-水纳米流体的温度变化范围为27～34.7℃时，测得导热系数是水的3倍。
然而，现如今所有的测试方法的测温范围跨度都比较小，并不能够很好地反映出温度变化引起的传热系数的变化情况。所以，现在亟需改进测试的方法，从而实现大温跨(25～100℃)的传热系数的测试。
发明内容
本测试方法发明的目的是为了解决现有测试方法中未能测试大温跨时传热系数的问题，实现磁性纳米流体传热系数的大温跨测试，使得能更好地反映磁性纳米流体的强化传热性能。
本方法的技术方案为：
一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，基于纳米流体传热测试***，所述纳米流体传热测试***包括通过管路依次连接形成纳米流体循环回路的循环泵、流量计、隔热箱、冷却水箱、水槽，所述隔热箱内的管道呈S形，管外均匀覆盖加热热阻，所述隔热箱内及出入口均设置有测温***，包括步骤：
(1)启动循环泵，通过温控装置调节隔热箱内加热热阻将电能以转化成热能Q通过管壁传递给管内流体；
(2)通过调节流量计来控制管路中液体流量qm；
(3)当隔热箱中温度测试***现实温度稳定后，通过各测温***记录第一测温点1、第二测温点2、第三测温点3的管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3；
(4)根据管外壁温和管内流体温度算出平均温差△t；
(5)根据平均温差△t、隔热箱中铜管的管壁热阻R1及管内壁与流体的传热热阻R2求出从管外壁传递到流体工质的热量Q；
(6)推导出纳米流体传热系数。
进一步地，所述的步骤(4)具体包括：
(41)分别求得管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3的平均值；
(42)算出平均温差：△t＝(tw1+tw2+tw3)/3-(t1+t2+t3)/3。
进一步地，所述步骤(5)具体包括：
(51)求得隔热箱中铜管的管壁热阻为：
R1＝ln(D2/D1)/(2πLλ)
式中λ为管壁的导热系数，L为管长，D1、D2为管内外直径；
(52)管内壁与流体的传热热阻为：
R2＝1/(πhD1L)
式中h为纳米流体传热系数；
(53)求出从管外壁传递到流体工质的热量：
Q＝△t/(R1+R2)。
进一步地，所述步骤(6)推导纳米流体传热系数的具体过程为：
h＝2λQ/(2π△tLλD1-D1Qln(D2/D1))。
相比现有技术，该发明的优点在于：
1、通过测试数据的整理分析，可计算出动态传热系数，从而能更好更直观地看出纳米流体的传热强化程度。
2、该***可通过控制流量以控制流体流速，故而能够实现流速的简单控制。
3、该***可通过控制加热设备功率来控制热流密度并且控制流体温度，故而可以通过加热设备功率与流体温度关系来改变加热功率从而进一步改变流体温度。
4、通过该方法，可测试出大温跨(25～100℃)时磁性纳米流体传热系数的变化，从而能够补充现有测试方法的不足。
附图说明
图1为本测试方法的纳米流体传热测试***的简易***结构图。(注：为方便作图，图中未画出冷却水箱。)
图中：1-第一测温点，2-第一测温点，3-第一测温点，4-水槽，5-循环泵，6-流量计，7-隔热箱。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1所示，一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，基于纳米流体传热测试***，所述纳米流体传热测试***包括通过铜管依次连接形成纳米流体循环回路的循环泵5、流量计6、隔热箱7、冷却水箱、水槽4，所述隔热箱7内的管道呈S形，管外均匀覆盖加热热阻，所述隔热箱7内及出入口均设置有测温***，包括步骤：
(1)启动循环泵5，通过温控装置调节隔热箱7内加热热阻将电能以转化成热能Q通过管壁传递给管内流体；
(2)通过调节流量计6来控制管路中液体流量qm；
(3)当隔热箱7中温度测试***现实温度稳定后，通过各测温***记录第一测温点1、第二测温点2、第三测温点3的管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3；
(4)根据管外壁温和管内流体温度算出平均温差△t；
(5)根据平均温差△t、隔热箱7中铜管的管壁热阻R1及管内壁与流体的传热热阻R2求出从管外壁传递到流体工质的热量Q；
(6)推导出纳米流体传热系数。
具体而言，所述的步骤(4)具体包括：
(41)分别求得管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3的平均值；
(42)算出平均温差：△t＝(tw1+tw2+tw3)/3-(t1+t2+t3)/3。
具体而言，所述步骤(5)具体包括：
(51)求得隔热箱7中铜管的管壁热阻为：
R1＝ln(D2/D1)/(2πLλ)
式中λ为管壁的导热系数，L为管长，D1、D2为管内外直径；
(52)管内壁与流体的传热热阻为：
R2＝1/(πhD1L)
式中h为纳米流体传热系数；
(53)求出从管外壁传递到流体工质的热量：
Q＝△t/(R1+R2)。
具体而言，所述步骤(6)推导纳米流体传热系数的具体过程为：
h＝2λQ/(2π△tLλD1-D1Qln(D2/D1))。
纳米流体传热测试***包括可控流量计6、循环泵5、隔热箱7、水槽4、冷却水槽、铜管、加热设备，测温***，***通过循环泵5提供流体流动的动力，水槽4盛放纳米流体，通过调节可控流量计6来控制管路中液体流量qm，铜管内外直径分别为D1、D2，在隔热箱7内是弯曲延伸的管路，管长L，管外均匀覆盖加热热阻，加热热阻由加热设备提供电能以转化成热能Q通过管壁传递给管内流体。通过测温***测出图中所示第一测温点1、第二测温点2、第三测温点3的管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3。取平均温度并算出平均温差△t。流出隔热箱7的液体重新流回水槽4。水槽4放置在冷却水箱中以冷却被加热的流体。隔热箱7中管道为S形，可使流动加剧为湍流，增大传热系数。最后，通过测出以上各量即可推导出管内纳米流体的传热系数。
隔热箱7中温度测试***现实温度稳定后，就可忽略隔热箱7中的空气吸收的热量，就可认为Q就是从管外壁传递到流体工质的热量。而t1、t2、t3、可认为是测量处截面流体的平均温度。
本实施例的纳米流体传热测试***主要用于实际纳米流体换热效果的检测，通过建立便于参数调整的数值计算模型，而模型采用分子动力学模型，故能够反映纳米流体密度、流量、黏度等信息的影响。
本实施例的纳米流体传热测试***通过温度控制装置控制温度变化；实验过程中用数据采集***收集数据，如管内流体温度变化用安捷伦测温仪记录3点的温度数据，以用于最后的整理计算。本实施例通过循环控制***控制其他变量不变，调整温度控制装置使温度发生变化，从而得出各项数据，代入数值计算模型进行计算。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，其特征在于，基于纳米流体传热测试***，所述纳米流体传热测试***包括通过管路依次连接形成纳米流体循环回路的循环泵、流量计、隔热箱、冷却水箱、水槽，所述隔热箱内的管道呈S形，管外均匀覆盖加热热阻，所述隔热箱内及出入口均设置有测温***，包括步骤：
(1)启动循环泵，通过温控装置调节隔热箱内加热热阻将电能以转化成热能Q通过管壁传递给管内流体；
(2)通过调节流量计来控制管路中液体流量qm；
(3)当隔热箱中温度测试***现实温度稳定后，通过各测温***记录第一测温点1、第二测温点2、第三测温点3的管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3；
(4)根据管外壁温和管内流体温度算出平均温差△t；
(5)根据平均温差△t、隔热箱中铜管的管壁热阻R1及管内壁与流体的传热热阻R2求出从管外壁传递到流体工质的热量Q；
(6)推导出纳米流体传热系数。
2.根据权利要求1所述的磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括：
(41)分别求得管外壁温tw1、tw2、tw3和管内流体温度t1、t2、t3的平均值；
(42)算出平均温差：△t＝(tw1+tw2+tw3)/3-(t1+t2+t3)/3。
3.根据权利要求2所述的磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：
(51)求得隔热箱中铜管的管壁热阻为：
R1＝ln(D2/D1)/(2πLλ)
式中λ为管壁的导热系数，L为管长，D1、D2为管内外直径；
(52)管内壁与流体的传热热阻为：
R2＝1/(πhD1L)
式中h为纳米流体传热系数；
(53)求出从管外壁传递到流体工质的热量：
Q＝△t/(R1+R2)。
4.根据权利要求3所述的磁性纳米流体传热系数大温跨测试方法，其特征在于，所述步骤(6)推导纳米流体传热系数的具体过程为：
h＝2λQ/(2π△tLλD1-D1Qln(D2/D1))。
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