一种磁性纳米流体强化传热控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种简便的温度、流量控制系统。具体涉及纳米流体传热实验平台控制系统。

背景技术：

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。近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。

纳米流体是将纳米粒子分散在基液中，形成高导热系数流体，最早由美国国家实验室Chio提出，美国已经成功开发“纳米制冷液”，在普通的冷却液中加入纳米铜粒子，最高可增加40％的换热能力。由于纳米流体良好的导热性能，近年来关于纳米流体强化传热的研究报道很多，用于内燃机强化传热研究也有报道，但是研究报道集中在测试内燃机使用纳米流体后散热系统性能以及内燃机性能研究，没有独立的试验测试系统。

磁性纳米流体强化传热试验台的核心部件是冷却水控制循环系统，由数据采集系统、流体温度及流量控制系统、热源温度控制系统等组成。实现对热源的温度调节，冷却水的流量调节和换热部位的温度场测量。

考虑到实际工程应用，尽可能增大纳米流体在换热部位的湍流度从而提高对流换热系数，同时不排除导热和辐射的影响，实现整体的传热系数。

纳米流体测试系统主要用于实际纳米流体换热效果的检测，由于试验系统设计之初，纳米流体特性参数影响的具体效果无法预估，因此需建立便于参数调整的数值计算模型，模型采用分子动力学模型，能够反映纳米流体密度、流量、黏度等信息对传热效果的影响。通过设计参数可调的柔性试验系统，检测数值计算结果，并规范模型计算条件，有利于纳米流体的应用以及进一步深入研究。

为配合学生研究计划“纳米流体强化传热”项目的顺利进行和今后的传热实验，需设计一款独立且温度可控的冷却水循环系统，系统根据相似原理设计，能够反映实际发动机冷却水流动和换热特点。

系统要求换热部分热源温度可控、冷却流量可控、便于流体温度场测试。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种结构简单、控制方便的磁性纳米流体强化传热控制系统。

本实用新型通过如下技术方案实现：

一种磁性纳米流体强化传热控制系统，包括磁性纳米流体循环系统、传热控制系，

所述的磁性纳米流体循环系统包括通过管路依次连接形成流体循环回路的水泵、隔热电炉、冷却水箱，管路在隔热电炉内蜿蜒设置；

所述的传热控制系包括设置在隔热电炉入水管上的流量传感器、设置在隔热电炉入水管上的第一热电偶、设置在隔热电炉内的第二热电偶、设置在隔热电炉出水口的第三热电偶、单片机、分别与所述单片机电路连接的显示输出装置、数据输入装置、控制电路和数据采集装置，所述控制电路分别与隔热电炉和水泵的电机控制连接，所述的数据采集装置分别与流量传感器、第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶电路连接。

进一步地，所述的单片机为51单片机。

进一步地，所述的管路在隔热电炉内呈S形。

进一步地，所述的管路为铜管。

进一步地，所述的冷却水箱采用风冷或冷却水冷却被加热的纳米流体。

进一步地，所述的冷却水箱的出、入口之间还旁接有安全装置，所述安全装置包括通过管路依次连接的单向膨胀阀和膨胀水箱。

进一步地，所述的单片机通过D/A转换器连接控制电路，通过 A/D转换器连接数据采集装置。

进一步地，所述隔热电炉内的管路外均匀覆盖加热热阻。

相比现有技术，该实用新型的优点在于：

1、通过输入实验条件所需的电炉温度，实时监测流体温度和流速，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、该系统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、该系统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流体流速从而维持电炉温度恒定。

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为本实用新型实施例的磁性纳米流体强化传热控制系统。

图2为本实用新型实施例调节水泵转速的原理示意图。

图3为本实用新型实施例调节隔热电炉温度的原理示意图。

图中：1-第一热电偶；2-第二热电偶；3-第三热电偶。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所述，一种磁性纳米流体强化传热控制系统，包括磁性纳米流体循环系统、传热控制系，

所述的磁性纳米流体循环系统包括通过铜管依次连接形成流体循环回路的水泵、隔热电炉、冷却水箱，铜管在隔热电炉内呈S形蜿蜒设置且铜管外均匀覆盖加热热阻；所述的冷却水箱采用风冷或冷却水冷却被加热的纳米流体。

所述的传热控制系包括设置在隔热电炉入水管上的流量传感器、设置在隔热电炉入水管上的第一热电偶1、设置在隔热电炉内的第二热电偶2、设置在隔热电炉出水口的第三热电偶3、51单片机、分别与所述单片机电路连接的显示输出装置、数据输入装置、控制电路和数据采集装置，其中，所述的单片机通过D/A转换器连接控制电路，通过A/D转换器连接数据采集装置。所述控制电路分别与隔热电炉和水泵的电机控制连接，所述的数据采集装置分别与流量传感器、第一热电偶1、第二热电偶2、第三热电偶3电路连接，显示输出装置用于显示相关参考，数据输入装置用于输入给定的流量值和温度值。

另外，所述的冷却水箱的出、入口之间还旁接有安全装置，所述安全装置包括通过管路依次连接的单向膨胀阀和膨胀水箱，所述的单向膨胀阀在热流管道由于温升造成压力增大时开启，将多余的蒸汽和流体储存在膨胀水箱中，防止管道中压力过高而开裂。

第一热电偶1和流量传感器收集循环系统的实时数据，通过51 单片机控制电机的输入频率和隔热电炉的输入电流，来调节水泵的转速和隔热电炉温度，形成PID控制，具体调节方法如下图2、图3所示。

循环系统通过电机带动水泵提供流体流动的动力，水槽盛放纳米流体，通过调节可控流量计来控制管路中液体流量q_m，铜管内外直径分别为D₁、D₂，在隔热电炉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。通过第二热电偶2、第三热电偶3测出电炉进水口和出水口管内流体温度t₂、t₃，取平均温度并算出平均温差流出隔热电炉的纳米液体重新流回冷却水箱。冷却水箱在外部风扇或冷却水中冷却被加热的纳米流体。隔热电炉中管道为s型，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。

隔热电炉箱中温度测试系统现实温度稳定后，就可忽略隔热箱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t₂、t₃,可认为是测量处截面流体的平均温度。