一種磁性納米流體強化傳熱控制系統的製作方法

2023-05-30 18:18:01

本實用新型涉及一種簡便的溫度、流量控制系統。具體涉及納米流體傳熱實驗平臺控制系統。

背景技術：

隨著科學技術的發展和全球能源問題的日益凸顯，強化傳熱已成為傳熱學中十分重要的一個研究領域。近年來有關納米材料的製備與研究的發展使納米顆粒加入流體中以強化傳熱得到了快速發展。

納米流體是將納米粒子分散在基液中，形成高導熱係數流體，最早由美國國家實驗室Chio提出，美國已經成功開發「納米製冷液」，在普通的冷卻液中加入納米銅粒子，最高可增加40％的換熱能力。由於納米流體良好的導熱性能，近年來關於納米流體強化傳熱的研究報導很多，用於內燃機強化傳熱研究也有報導，但是研究報導集中在測試內燃機使用納米流體後散熱系統性能以及內燃機性能研究，沒有獨立的試驗測試系統。

磁性納米流體強化傳熱試驗臺的核心部件是冷卻水控制循環系統，由數據採集系統、流體溫度及流量控制系統、熱源溫度控制系統等組成。實現對熱源的溫度調節，冷卻水的流量調節和換熱部位的溫度場測量。

考慮到實際工程應用，儘可能增大納米流體在換熱部位的湍流度從而提高對流換熱係數，同時不排除導熱和輻射的影響，實現整體的傳熱係數。

納米流體測試系統主要用於實際納米流體換熱效果的檢測，由於試驗系統設計之初，納米流體特性參數影響的具體效果無法預估，因此需建立便於參數調整的數值計算模型，模型採用分子動力學模型，能夠反映納米流體密度、流量、黏度等信息對傳熱效果的影響。通過設計參數可調的柔性試驗系統，檢測數值計算結果，並規範模型計算條件，有利於納米流體的應用以及進一步深入研究。

為配合學生研究計劃「納米流體強化傳熱」項目的順利進行和今後的傳熱實驗，需設計一款獨立且溫度可控的冷卻水循環系統，系統根據相似原理設計，能夠反映實際發動機冷卻水流動和換熱特點。

系統要求換熱部分熱源溫度可控、冷卻流量可控、便於流體溫度場測試。

技術實現要素：

針對上述技術問題，本實用新型提供了一種結構簡單、控制方便的磁性納米流體強化傳熱控制系統。

本實用新型通過如下技術方案實現：

一種磁性納米流體強化傳熱控制系統，包括磁性納米流體循環系統、傳熱控制系，

所述的磁性納米流體循環系統包括通過管路依次連接形成流體循環迴路的水泵、隔熱電爐、冷卻水箱，管路在隔熱電爐內蜿蜒設置；

所述的傳熱控制系包括設置在隔熱電爐入水管上的流量傳感器、設置在隔熱電爐入水管上的第一熱電偶、設置在隔熱電爐內的第二熱電偶、設置在隔熱電爐出水口的第三熱電偶、單片機、分別與所述單片機電路連接的顯示輸出裝置、數據輸入裝置、控制電路和數據採集裝置，所述控制電路分別與隔熱電爐和水泵的電機控制連接，所述的數據採集裝置分別與流量傳感器、第一熱電偶、第二熱電偶、第三熱電偶電路連接。

進一步地，所述的單片機為51單片機。

進一步地，所述的管路在隔熱電爐內呈S形。

進一步地，所述的管路為銅管。

進一步地，所述的冷卻水箱採用風冷或冷卻水冷卻被加熱的納米流體。

進一步地，所述的冷卻水箱的出、入口之間還旁接有安全裝置，所述安全裝置包括通過管路依次連接的單向膨脹閥和膨脹水箱。

進一步地，所述的單片機通過D/A轉換器連接控制電路，通過 A/D轉換器連接數據採集裝置。

進一步地，所述隔熱電爐內的管路外均勻覆蓋加熱熱阻。

相比現有技術，該實用新型的優點在於：

1、通過輸入實驗條件所需的電爐溫度，實時監測流體溫度和流速，可計算出動態傳熱係數，從而能更好更直觀地看出納米流體的傳熱強化程度。

2、該系統可通過控制流量以控制流體流速，故而能夠實現流速的簡單控制。

3、該系統可通過控制加熱設備功率來控制熱流密度並且控制流體溫度，故而可以通過加熱設備功率與流體溫度關係來改變流體流速從而維持電爐溫度恆定。

4、通過該方法，可測試出大溫跨(25～100℃)時磁性納米流體傳熱係數的變化，從而能夠補充現有測試方法的不足。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的磁性納米流體強化傳熱控制系統。

圖2為本實用新型實施例調節水泵轉速的原理示意圖。

圖3為本實用新型實施例調節隔熱電爐溫度的原理示意圖。

圖中：1-第一熱電偶；2-第二熱電偶；3-第三熱電偶。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有創造性勞動前提下所獲的其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

如圖1所述，一種磁性納米流體強化傳熱控制系統，包括磁性納米流體循環系統、傳熱控制系，

所述的磁性納米流體循環系統包括通過銅管依次連接形成流體循環迴路的水泵、隔熱電爐、冷卻水箱，銅管在隔熱電爐內呈S形蜿蜒設置且銅管外均勻覆蓋加熱熱阻；所述的冷卻水箱採用風冷或冷卻水冷卻被加熱的納米流體。

所述的傳熱控制系包括設置在隔熱電爐入水管上的流量傳感器、設置在隔熱電爐入水管上的第一熱電偶1、設置在隔熱電爐內的第二熱電偶2、設置在隔熱電爐出水口的第三熱電偶3、51單片機、分別與所述單片機電路連接的顯示輸出裝置、數據輸入裝置、控制電路和數據採集裝置，其中，所述的單片機通過D/A轉換器連接控制電路，通過A/D轉換器連接數據採集裝置。所述控制電路分別與隔熱電爐和水泵的電機控制連接，所述的數據採集裝置分別與流量傳感器、第一熱電偶1、第二熱電偶2、第三熱電偶3電路連接，顯示輸出裝置用於顯示相關參考，數據輸入裝置用於輸入給定的流量值和溫度值。

另外，所述的冷卻水箱的出、入口之間還旁接有安全裝置，所述安全裝置包括通過管路依次連接的單向膨脹閥和膨脹水箱，所述的單向膨脹閥在熱流管道由於溫升造成壓力增大時開啟，將多餘的蒸汽和流體儲存在膨脹水箱中，防止管道中壓力過高而開裂。

第一熱電偶1和流量傳感器收集循環系統的實時數據，通過51 單片機控制電機的輸入頻率和隔熱電爐的輸入電流，來調節水泵的轉速和隔熱電爐溫度，形成PID控制，具體調節方法如下圖2、圖3所示。

循環系統通過電機帶動水泵提供流體流動的動力，水槽盛放納米流體，通過調節可控流量計來控制管路中液體流量qm，銅管內外直徑分別為D1、D2，在隔熱電爐內是彎曲延伸的管路，管長L，管外均勻覆蓋加熱熱阻，加熱熱阻由加熱設備提供電能以轉化成熱能Q通過管壁傳遞給管內流體。通過第二熱電偶2、第三熱電偶3測出電爐進水口和出水口管內流體溫度t2、t3，取平均溫度並算出平均溫差流出隔熱電爐的納米液體重新流回冷卻水箱。冷卻水箱在外部風扇或冷卻水中冷卻被加熱的納米流體。隔熱電爐中管道為s型，可使流動加劇為湍流，增大傳熱係數。最後，通過測出以上各量即可推導出管內納米流體的傳熱係數。

隔熱電爐箱中溫度測試系統現實溫度穩定後，就可忽略隔熱箱中的空氣吸收的熱量，就可認為Q就是從管外壁傳遞到流體工質的熱量。而t2、t3,可認為是測量處截面流體的平均溫度。