（制冷及低温工程专业论文）ehd强化池内沸腾换热模型研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电水动力学( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，简称e h d ) 强化传热是一种 主动强化传热方法。它是在流体中施加一外电场，利用电场、流场和 温度场的相互作用而达到强化传热的目的。近几年来，国外许多学者 对这一领域进行了大量研究，而国内的研究则刚刚起步。但是到目前 为止，一方面，e h d 强化传热的机理尚不清楚，理论也不成熟，还没 有完整的e h d 强化传熟理论模型；另一方面，目前的大多数研究处于 实验阶段，还未真正应用到工程实际中。本文建立了e h d 强化池内沸 腾传热的数学模型，为e h d 强化传热模型的发展提供理论依据。 本文首先回顾了e h d 技术领域的发展概况，综述了e h d 强化传 热的研究现状，在此基础上，阐述了研究沸腾强化传热的必要性。一 方面，在做了一些假设的前提下，本文首次给出了e h d 中电场分布的 数值解；另一方面，本文以c o o p e r 模型为基础，以j s e y e d y a g o o b i 和 黄炬等人的实验数据为依据，在建模时，首次将影响e h d 强化传热的 另外两个因素，换热表面和电场分布考虑进去，最后得出了换热表面 分别为光滑管、低翅片管和平板的e h d 强化池内沸腾传热的数学模型， 并通过与c o o p e r 模型比较得出，新模型的计算值与实验数据拟合地较 好，计算值与实验值的相对误差也由原来的5 0 减小到2 3 ，由 此证明新模型较c o o p e r 模型有一定的优越性。 另外，在处理实验数据时，本文应用了多元线性回归法，并编写 了相应的c 语言程序；在计算换热表面的影响参数和电场分布的修正 指数时，也给出了相应的c 语言程序，使课题工作得以顺利开展。 本文将数值计算和程序编写相结合，建立了e h d 强化池内沸腾传 热的数学模型，为e h d 强化传热的机理研究和模型建立提供了依据。 关键词：e h d 强化传热池内沸腾传热模型建立c 语言程序 i l l 山东大学硕士论文 a b s t r a g t e h dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti sap o s i t i v et e c h n o l o g yo f h e a t t r a n s f e r i ti sa b l et oe n h a n c eh e a tt r a n s f e rt h r o u g ht h ei n t e r a c t i o no f e l e c t r i cf i e l d ，f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht h ef l u i da p p l i e da n e l e c t r i cf i e l d i nt h el a t e s tf e wy e a r s ，m a n yf o r e i g ns c h o l a r sh a v ec a r r i e d o u tal o to fr e s e a r c h e si nt h i sf i e l d ，h o w e v e r ，d o m e s t i cs t u d i e si nt h i sf i e l d a r ej u s to ni n i t i a ls t e p b u ts of a r ，o no n eh a n d ，t h em e c h a n i s mo fe h d e n h a n c e dh e a tt r a n s f e ri sn o tv e r yc l e a r ，t h et h e o r yi sn o tm a t u r e ，a n dt h e t h e o r e t i c a lm o d e li sn o ti n t e g r a t e ；o nt h eo t h e rh a n d ，m o s to ft h ec u r r e n t r e s e a r c h e sa r eju s td o i n ge x p e r i m e n t s ，a n dt h et e c h n o l o g yh a sn o tb e e n u s e di na c t u a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，a ne h de n h a n c e dp o o lh e a t t r a n s f e rm o d e li sf o u n d e da n di tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rm o d e l d e v e l o p m e n t i nt h i s p a p e r ，a tf i r s t ，t h eg e n e r a ls i t u a t i o ni ne h df i e l dw a s r e v i e w e d ，t h er e s e a r c ha c t u a l i t yw a ss u m m a r i z e da n do nab a s i so ft h i s ， t h en e e do ft h ee n h a n c e db o i l i n gh e a t t r a n s f e rr e s e a r c hw a sr e p r e s e n t e d ， o no n eh a n d ，a f t e rs o m ep r e c o n d i t i o n sw e r eg i v e n ，t h en u m e r i c a ls o l u t i o n o fe l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o nw a sp r e s e n t e df i r s t l y ；o nt h eo t h e rh a n d ，i n t h i sp a p e r ，b a s e do nc o o p e rm o d e la n da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a o fj ，s e y e d y a g o o b ia n dh u a n g x u a n ，a n o t h e rt w of a c t o r s ，j e h e a tt r a n s f e r s u r f a c ea n de l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，w e r et a k e ni n t oa c c o u n tf i r s t l y ，a n d a tl a s t ，e h de n h a n c e dp o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a lm o d e l so f s m o o t ht u b e ，l o w - f i nt u b ea n dp l a n ep l a t eh a d b e e no b t a i n e d a n d ， c o m p a r e dw i t hc o o p e rm o d e l ，i tc o u l db er e c e i v e dt h a tt h en e wm o d e l s c a l c u l a t i o nv a l u ec a nf i tb e t t e rt ot h et e s td a t a t h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e n t h et w ov a l u e sr e d u c e df r o m5 0p e r c e n tt o2 3p e r c e n tt h a tc a np r o v et h e n e wm o d e lh a da d v a n t a g eo v e rc o o p e rm o d e l i na d d i t i o n ，w h i l ep r o c e s s i n gt h et e s td a t a ，t h i sp a p e ru s e dt h e m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n dw r o t et h ec o r r e s p o n d i n gcp r o g r a m a n d w h e nc a l c u l a t e dt h ei n f l u e n c ep a r a m e t e ro fh e a tt r a n s f e rs u r f a c ea n d m o d i f i e de x p o n e n to fe l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h i sp a p e ra l s og a v et h e i v 山东大学硕士学位论文 c o r r e s p o n d i n gcp r o g r a ms ot h a tt h ew o r kc a np r o c e e ds u c c e s s f u l l y c o m b i n i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw i t hp r o g r a mw r i t i n g ，t h i sp a p e r f o u n d e dt h en u m e r i c a lm o d e lo fe h de n h a n c e dp o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e r a sar e s u l t ，i to f f e r e dab a s i sf o re h de n h a n c e dh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m s t u d ya n dm o d e lf o u n d a t i o n ， k e yw o r d s ：e h de n h a n c e dh e a tt r a n s f e rp o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e r m o d e lf o u n d a t i o ncl a n g u a g ep r o g r a m v 山东大学硕士论文 符号说明 。肋宽b ) b 槽宽( ? 7 ) c 换热表面的修正指数 c 。定压比容( j k g k ) 见汽泡脱离直径( m ) e 电场强度妒i m ) 厂汽泡脱离频率( 见) c ，微层面积准则数 c 电场作用下的电场力( ) e 汽泡浮升力( ) ( 汽泡表面张力( ) 凡作用在汽泡上的介电电泳力 ( ) g 重力加速度( m l s 2 ) h 槽深或肋高b ) 当强化传热系数 希腊字符 5介电常数 p 密度( k g l s ) p 。自由电荷密度 盯 表面张力( m n i m ) q电导率( 1 ，n m ) 下标 汽泡 液体 气体 电场存在 汽化潜热( 肜k g ) i 电流( a ) j 电流密度“埘z ) m 。汽泡离开表面时的质量流速 ( 括j ) 订汽泡的数密度 他电场效应准则数 讹努谢尔特准则 p 压力( p a l q 。热流密度( k w 2 i m ) q 。界面上产生的净电荷 r e 雷诺数 r 温度僻) u 电压妒) y 流体速度s ) 电场分布修正指数 动力粘度( m p a - s ) 时间o ) 电荷松弛时间g ) 接触角 电阻温度系数 0 无电场 州固液界面 汽固界面 l g 汽一液界面 p f o p 口 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 在能源日益匮乏的今天，节约能源刻不容缓，强化传热是其中的 一个重要问题。强化传热可以使换热器的尺寸和重量减小，使设备以 及整个系统的运行效率提高，在节省原材料的同时可以节约大量的能 源。因此，世界各国对强化传热技术进行了大量的科研工作，发明了 许多强化传热的方法，这种技术甚至被称之为第二代传热技术。然而， 许多强化传热方法是通过对换热表面的复杂加工而达到强化传热的目 的的，这将降低换热器的综合经济指标，而且复杂的加工表面极易受 到污垢( 包括油污) 的影响，有时甚至成了传热过程的主要热阻，污 垢的沉积往往成为一个新开发的强化传热表面能否实用化的关键。而 在流体中施加电场强化传热的方法，则不会出现上述问题i l l 。 流体中施加的电场对传热的强化效果早在1 9 1 6 年就已被发现，并 由英国学者c h u b b 申请了专利i l 】。但在此后的四十多年里，该技术并 朱受到注意和重视。只有到了6 0 年代才有学者开始研究。近年来，由 于余热利用、高效暖通空调系统、海洋能和地热能开发中对小温差传 热的要求，加上e h d ( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，也称作电场流体力学) 强化传热所具有的效果显著、功耗低、易于控制表面热流密度等一系 列优点，这种强化传热技术逐渐受到重视。目前的研究主要集中在英、 美、日等发达国家，国内的研究才刚刚起步。 根据现有的实验和理论研究成果，e h d 强化传热的优点概述如下 【i 】 1 ) 方便性。通过对电场强度的控制来实现对强化效果的控制。即易于 控制热流和温度在任何传热表面，特别是需要控制局部温度和局部 热流的应用场合，只需控制电压就可达到迅速控制热流和温度的目 的。 2 ) 设备简单。仅需一台电压转换装置及附加的电极。 3 ) 用于某些特殊场合。例如，在航天设备中。由于没有重力，沸腾传 热中产生的气泡不易脱离传热表面，从而引起传热恶化甚至导致事 山东大学硕士论文 故。而应用e h d 强化传热技术可以很好地克服这种情况。 4 ) 应用范围广。从传热方式上看，适合于单相流动和多相流动：从工 质的角度上看，它不但可应用于气体、油等绝缘流体，而且可以应 用于弱导电甚至强导电的流体，特别适用于近几年开始大量使用的 c f c 替代物。 5 ) 耗能少。一般来说，流场内电场的总电压相当高( 一般在2 0k v 以上) ，但电流却很小，相对于传热量，其电功率的消耗可忽略不 计。对于一般换热面积的换热器消耗功率也只有几瓦到几十瓦。例 如在文献 3 9 中采用电场强化冰箱冷凝器的换热，测试结果表明： 冷凝器外表面对流换热系数提高了1 2 4 9 倍，冰箱每昼夜节电 1 8 3 6 ，而电场附属设备成本为冰箱造价的4 6 ，消耗电功率 也只有0 5 2 7 w 。由此可见，这种强化传热方法为冰箱所带来的节 能效果是明显的，同时也提高了冰箱的运行经济性。 正是由于e h d 强化传热具有如此多的优点，近年来，e h d 强化传热 技术的研究在国外成为传热学中一个相当重要的研究领域。一方面由 于电场、温度场和流场相互作用的复杂性使得e h d 强化沸腾传热的机 理方面的研究尚未成熟；另方面，该门技术也尚未真正推广到工程 应用。e h d 强化传熟的研究，主要在3 个方面进行： 1 ) 试验确定e h d 强化换热的图表； 2 ) 从流体在电场中的受力角度进行理论分析： 3 ) 部分学者应用相关准则数对试验数据进行综合归纳。 从以上三个方面可以看出，目前的e h d 强化换热研究还只处于积 累数据、主要进行试验研究的阶段，e h d 强化抉热的理论还不成熟。 从工程应用上看，e h d 技术用在制冷系统中有很大的潜力 2 们。它 不仅可以大大地降低成本花费，还可以节省能源。一般地，e h d 蒸发 器的成本较通常的蒸发器的成本低2 0 到3 0 0 9 1 。在相同的蒸发负荷 下，应用e h d ，蒸发温度会增加，从而会导致一个较小的平均温差， 压缩机的入口压力增大，使压缩枫低速旋转f 2 ”。另外，e h d 方法能提 高c o p ，降低压缩机的压缩功和工作容积。尤其是当蒸发器和冷凝器 的平均温差相对大一些时，此作用更加显著。 虽然e h d 技术强化传热的理论还不成熟，但它有很大的现实意义， 山东大学硕士学位论文 因此该领域受到国内外越来越多的关注。 1 2 课题研究内容 影响e h d 强化沸腾传热的因素有电压，热流密度，换热表面，电 极特性，制冷工质等5 】， 9 】【1s 】- 1 4 ”，现有的e h d 强化沸腾模型即c o o p e r 模型建立了强化传热系数与其影响因素电压，热流密度之间的关系， 即_ h g = 口m ) ；( r e ) 6 。应用上述模型对具体的实验数据进行拟合，得出的 拟合公式与实验数据偏差较大，大约在3 0 左右f 1 2 】。本文就是在现 有模型基础上，首次将另外两个影响因素一换热表面和电极分布考虑 进去，进一步推导和完善e h d 强化沸腾传热模型，使数学模型更接近 于实验数据。本文的具体内容如下： 1 ) 换热表面不同，强化传热的系数也不同。本文的内容之一是对应 不同的换热表面，给出一个表示换热表面的几何参数。设该参数 的指数为c 。另外，也将考虑其他的影响因素。本文考虑到电极分 布的影响，可以加个电极分布的修正指数x ； 2 ) 编写二元线性回归计算的c 语言程序一，编写c 和x 求解的c 语 言程序二： 3 ) 应用已有的数学模型，对文献 1 8 】和文献【4 7 】中的实验数据进行多 元线性回归，利用程序一，得出拟合公式。由该公式得出的计算 结果再与实验结果做对比，作出对比图形，求出相对误差； 4 ) 应用程序二，求c 和x 的值，使相对误差最小，得出发展后的数 学模型。再作图验证新模型； 5 ) 给出具体实验中电场强度的数值解。 1 3 课题研究意义 本文主要从事理论计算和模型推导，以现有实验数据为基础，来 发展e h d 强化池沸腾传热的数学模型。作者在原有模型的基础上，将 另外的影响因素，即换热表面和电极分布的影响考虑迸去，并首次用 自编程序发展了定量关系式。对电流体力学研究领域的理论分析和模 型发展具有一定的参考价值。具体表现如下： 山东大学硕士论文 1 ) 电场强度的数值解是不易求出的。由于e h d 技术的复杂性，许多学 者只是给出了电场，流场和温度场的方程，却很少给出电场强度的数 值解。本文在做了一些假设的基础上，给出了电场强度的数值解。 2 ) 新模型将影响e h d 传热系数的另外两个因素，换热表面和电场分布 考虑进去，使模型更完整，与实验数据拟台地更好，为e h d 强化沸腾 传热的模型发展提供了依据。 4 山东大学硕士学位论文 第二章电流体力学强化换热分析 2 1 电流体力学基本方程 所谓电流体力学( e 1e c t r o h y d r o d y n a m ic s ，缩写为e h d ) ，是指由于 电场中电荷运动与流体速度场耦合而引起的现象。电荷运动可以显著 地改变流体的运动规律并加强流体的混和过程。 据电磁学理论，电场中的流体所受到的电场力可表示为m 1 阳弘1 e 2 v 8 + j iv 鼽| ( 2 _ i ) 式中：e 为电场强度( v m ) ；s 为介电常数( 州坍) ；q 为流体中所含自由 电荷密度( c m 3 ) ；p 为流体密度；，为液体的温度。介电常数占表示电 场线穿透介电物质的容易程度，在高介电常数的流体中，电场将减弱； 电场空间电荷密度q 表示液体中自由离子的数目。 方程第一项g e 代表电场对自由电荷的力，称为库仑力或者电泳力 电泳力的方向取决于自由电荷的极性和电场的方向。它是直流电场中 e h d 各力最大的一个。流体中的电离放电是重要的，离子放电不常存在。 在离子放电情况下，流体中产生了温度梯度，即意味着产生了热传递， 温度的分布导致介电常数存在梯度，极化电荷就产生了，库仑力施加在 空间电荷上产生了对流；第二项去e 2 v 占表示在电场作用下由于介质的 介电常数e 的空间变化而产生的力，称为介电电泳力，它是交流电场作 用于绝缘的介电流体上e h d 诸力中最大的一个。在两相流动中介电电 泳力主要产生于气相与液相间的交界面处，电泳力使低介电常数的气 泡向电场强度小的地方运动，使高介电常数的液体向电场强度大的地 方运动，极大增强了当地的紊流和混合i 第三项三v m 孰尸降示由于 电场强度及介电常数的空间变化而产生的施加于流体上的力，又称为 电致伸缩力，它对不可压缩流体可以忽略。电致伸缩力使液体向强电 场的方向运行，由于电场的不对称即电致伸缩力的不对称，产生了e h d 液体射流的对流，液体射流与温度分布无关，液体射流随液体导电性的 山东大学硕士论文 增大而增大。并且，对于不同的工质和不同的传热方式，这三种力的 作用和大小各不相同。 电致伸缩力对不可压缩流体可以忽略，则式( 2 - 1 ) 变为 c ：q e 一昙e 2 v ( 2 2 ) e h d 强化传热过程的完整描述不仅要从流场、温度场和电场着手， 而且还要考虑它们之间的相互影响。对不可压缩流体，其n a y i e r s t o k e s 方程为【2 】： 尹d ，r ：+ e v p + v p g 2 矿 ( 2 3 ) p d t 。l t 一 1 v 、2 一：j 其中，只为电场力，它由式( 2 - 1 ) 表示。可见该方程与一般的n a y i e r s t o k e s 方程的差别仅在于加入了一项电场力e 。 对不可压缩流体，其连续性方程为1 2 ： 驴扩=0(2-4) 忽略粘性耗散影响的能量方程为1 2 1 ： a t + 矿vr ：k v2 h 监( 2 5 ) d f p c 。 其中，式中最后项为电阻耗散项，在一般情况下可以忽略不计。 其中，t 是流体的电导率( i q - 肌) 。 对绝缘体，可用下列静电方程组表示m l ： 甲e e = q ( 2 - 6 ) ve=0(2-7) v j + 塑：0( 2 8 ) 其中，电流密度j 可表示为： j = q v + 仃。e ( 2 - 9 ) 从( 2 - 4 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 式可以导出辅助关系式： ( 言+ r v ) g + v - t r , e = = 。 c z 一，。， 对于均匀的和各向同性的介电流体： v c r , e = c r , v e 山东大学硕士学位论文 由于v 窗= q 因此有 盯。v e = 堕：旦 ( 2 一1 1 ) 式中，t 是自由电荷从主流迁移到流体外边界的松弛时间。于是，式 ( 2 - 1 0 ) 可以简化为： ( - v 詈= 。 c z 一 其中，电荷松弛时间： f ：三( 2 13 ) 6 t l 决定了式( 2 1 ) 第一项归和第二项圭占2 v s ，谁在电场力中占据主 要地位，若电场是一个频率为，的交流电场且 ，上：旦 ( 2 1 4 ) f c 占 则在主流中不能产生自由电荷，即i q e ；“o ，此时，主要是第二项起作 用，在所有其它情况下，包括直流和交流电场，都是自由电荷卵占优 势。 这样，式( 2 - 2 ) ( 2 - 7 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 - 13 ) 等八个方程中，包含 了八个变量，即y 、p 、，、c 、q 、e 、占、t ，因此，方程组是封闭 的，可以解得以上各值。虽然如此，该组方程比单纯的求解电场、流 场或温度场要复杂得多。特别是在不同的应用情况下，其边界条件的 确定也相当复杂。因此，在实际应用中常常要做一些假定或给定一些 简化条件。 2 2 电流体力学强化换热过程 2 2 1 电流体力学强化换热 电流体力学( e h d ) 强化换热是指在换热表面的流体中施加一电场， 利用电场、流场和温度场之间的相互作用达到强化传热的目的。e h d 强化换热中流体在电场中包含带电粒子、极性分子、非极性分子以 山东大学硕士论文 及气液界面等，这些组分在电场中的受力情况各不相同，受力之后产 生的运动又相互作用。一方面，流体中的温度梯度使流体的导电系数 发生变化，从而产生空间电荷，即温度场影响了电场；反过来空间电 荷在电场中的运动以及电场力又影响了流场，电场和流场的相互作用 又影响了温度场和传热效果。因此，e h d 强化换热的机理非常复杂1 - i 。 文献【5 2 分析了直流电场和交流电场强化传热的机理。它指出，直 流电场对换热的强化作用比交流电场要强得多，它对自然对流换热及 低雷诺数的强制对流换热都有显著的强化作用。该文献给出了研究最 多的平板或管内换熟的电场强化装置，如图2 1 所示。 具有很高负电位的丝极放出电子，向作为阳极的平板或管壁运动。 在强电场作用下电子运动速度很高，它们与气体分子相碰撞并导致气 体分子离子化。负离子也向阳极运动。大量电子和负离子运动称为电 子风或电晕风。电子风对平板或管壁附近的气体运动产生很大的扰动， 从而大大地加强了气体与壁面问的对流换热陋2 i 。 ( a ) 平扳( b ) 管内 图2 1电场强化传热装置 文献f 5 2 还指出，电场强度愈高，对流换热增强程度也愈高，但是 随着雷诺数的提高，气体本身的扰动度也在增加，因此电场强化传热 的效果就迅速下降。在r e 5 0 0 0 后电场对换热的增强作用可以略去， 而当r e = 7 0 0 时电场可增大管内空气换热4 倍左右。 依靠电荷在电场中的运动以加强换热过程，不仅对空气有效，在 粘性液体层流运动时，也会因为电荷的电泳力作用而使换热加强。对 于p r = 2 0 0 的液体，换热可增强l o o ；对p r = 2 0 0 0 的液体，其换热 系数可提高到4 倍。 交流电场中的强化对流换热作用要低得多，这是因为交流电场频 气每 山东大学硕士学位论文 率较高，流体中的自由电荷很少，流体在电场中受到的力主要是非宅 泳力f 一1 。e ：v ，而介电常数占随温度的变化率又很小，这样流体受到 的非电泳力就不大，因此传热强化的程度也就远不如直流电场了。 2 2 2 影响因素 电场能强化换热的原因在于高压电场有两个效应：一个是对流体的 电对流效应；另一个是对汽泡运动的效应。这两个效应都与电场强度 和电荷松弛时间有关。而在其中，电荷松弛时间的影响比较突出。 2 2 2 1 电荷松弛时间| 4 5 1 电荷松弛时间在e h d 强化传热过程中是一个很重要的参数，也是挑 选工质的一个重要依据。它反映了自由电荷从所讨论的主体与外部边 界的自由电荷达到稳定状态的速度。为了估计这速度，假设一个具 有电导率为4 ，介电常数为e 的液体板，突然插入一个均匀电场量中， 如图2 2 所示： 此时，在界面上产生的净电荷钆可由通过界面的电流密度差而导出： g 。= 岛岛一腰o ( 2 1 5 ) 又由于乳的值与界面储存的电荷总量相平衡，可得出： ! 譬= l ：吼e( 2 - 1 6 ) 当t = 0 时，q 。= 0 ，同时假设在给定的时间没有极化电荷，则有： 旷氏卜一( 王g i ) l l 川 这表示自由电荷随着时间的推移而增加，最后q 。达到岛毛。为了量化 这个时间，定义电荷松弛时间乞 c = 二( 2 1 8 ) 正 在对流传热中，如v 以0 ，将出现可以被电场作用的自由电荷。如果 v 占0 ，或电场非常强，极化力将使流体运动。如果v 盯。0 和v s 0 ， 则电荷松弛时间决定了自由电荷或极化力二者中谁起主导作用。在核 状沸腾传热中，如果电荷松弛时间远远大于汽泡脱离的周期，汽泡将 9 山东大学硕士论文 不受e h d 力的影响。 由此可见，各种工质的t 是各不相同的，如r 1 2 3 为o 8 9 1 0 。s ，r 1 1 为1 3s 。因而r 1 2 3 可望有较好的强化传热效果。为了达到较好的e h d 强化传热效果，从电荷松弛时间角度来选择工质相当重要。 + q 图2 2电场中液体电荷平衡示意图 2 2 ，2 2自由电荷 自由电荷是影响e h d 强化传热的另一个重要因素】，它不仅与工 质的物性有关，面且与湿度场和电场的分布有关。 文献 4 5 3 给出了单相对流传热中自由电荷密度口的表达式，即 q = e v e 一二e v c r 。 ( 2 1 9 ) 盯t 如果流体中以和占发生变化，则会产生自由电荷，否则，将不产 生自由电荷。而它们主要与温度有关。假设它们仅是温度的函数，则 有 础研害一言恸警 2o )1 劣正 衍 ” 即自由电荷q 与电场强度占、以和占随t 的变化率以及电荷松弛时间f c 有关。 由以上可以看出，e h d 强化传热的机理是很复杂的，在这个问题上， 还有许多问题需要研究。如在传热过程中，电场、流场和温度场三者 之间是如何影响的，另外，影响强化传热的因素，除了以上介绍的两 个因素以外，还有电场特性，电极种类。它们对强化传热的影响也是 复杂的。目前来说，在e h d 强化传热的机理上，还没有较成熟的理论。 e ft 山东大学硕士学位论文 第三章e h d 强化沸腾换热 由于液体存在汽液界面，e h d 现象较气体的复杂。电场作用下的汽 液界面的不稳定性是引起换热强化的重要因素。这方面的主要应用是 e h d 强化凝结换热和强化沸腾换热。 沸腾传热分为两种情况，池沸腾( 即大空间沸腾) 和流动沸腾。 在大空间沸腾中，液体的流动是靠自然对流和汽泡的扰动引起的，在 流动沸腾中汽一液两相流动可以是定向的自然对流，也可以是受迫对 流，通常两相流体是在管或槽道内流动和被加热，所以流动沸腾常指 管 槽) 内沸腾。 3 1e h d 强化沸腾换热的机理分析 沸腾换热属于两相换热，在这种换热方式中，e h d 对传热的强化作 用主要是由电场对汽泡的力和作用于汽液界面上的力等因素单独或综 合影响的结果。另外一方面就是汽液界面上的电荷与换熟面上电荷的 拉伸作用。e h d 力在沸腾传热中的作用，除了促进汽泡的运动外，一 方面它使核状沸腾的汽泡发生变形或使较大的汽泡变小，另一方面它 对膜状沸腾中的汽膜产生破坏，从而使膜状沸腾转变为核状沸腾。 3 1 。1 汽泡在电场中所受到的力 电场对汽泡的作用主要是介电电泳力。为了说明其作用力，设在一 个介电常数为蜀的工质中有一个介电常数为岛，半径为r 的球体。文 献 2 给出了p o h l 等人的研究结果，作用在球体上的介电电泳力乃为： e ：2 艘3 最三二生驰2 ( 3 一1 ) ” 屯+ 2 q 在沸腾过程中，其球体为汽泡，此时屯 ，假定 电流大小不变，汽泡就会从强电场区域向弱电场区域移动，相应地， 气泡就被压制在换热表面上，无论极性如何，气泡均如此。如图3 3 。 普通汽泡形状 电场作用下汽泡形状 品 ( a ) 无电场作用( b ) 有电场作用 ( 其中，r 。e h d 电场力，e 浮升力，e 表面张力) 图3 3 成长气泡受力图 汽泡在电场中所受介电电泳力指向换热表面，汽泡受压而紧贴换热面 在换热表面上振动导致汽泡脱离直径减小且汽泡数目增多，并且，汽 泡被压在换热表面上时，增加了汽泡表面与换热面接触的薄膜面积， 从而强化了沸腾换热。 3 2 2 2 电场的交变性和稳定性对沸腾传热的影响 电场的交变性主要指在施加外电场时采用的是交流电，即流体中 的电场方向和强度是周期性变化的。而稳定性电场是指施加外电场时 采用的是直流电，流体中的电场方向和强度是稳定不变的。 文献 9 中对电场的交变性和稳定性对沸腾传热的影响做了总结， 它指出，直流电场无论其均匀与否，除了在低电场强度下否则通常而 言都能强化换热，交流电场也能强化换热，但是没有直流电场效果明 显。 由文献 5 2 分析可知交流电场的换热强化作用受电荷松弛时间f 山东大学硕士论文 的影响。当交流电的频率，远远大于l r 时，交流电场的麦克斯韦力将 减弱甚至消失，在汽液界面上不会形成自由电荷。而对所有其它情况 ( 包括直流电) ，一般是自由电荷密度起主导作用。故e h d 强化换热试 验一般均采用高压直流电源。 虽然近年来的研究大都采用稳定电场，但对交变电场和稳定电场 的比较证明，稳定电场对深入探讨电场特性对e h d 强化传热的影响规 律是没有帮助的。 3 2 2 3 电场分布对沸腾传热的影响 强化沸腾换热时，由于电极的结构和布置不同，可以在流体中施加 均匀电场也可以施加非均匀电场。目前的研究中的多数试验都采用了 非均匀电场。在已有的研究中都认为非均匀电场的效果较好】，而且 许多研究都将电场方向对汽泡的作用力与传统沸腾传热理论的矛盾归 结到电场的非均匀性产生的效果。 k a r a y i a n n is 4 6 1 对于非均匀电场下e h d 强化换热进行试验表明，在 不同的电极布置方式中，高电场强度并不一定就带来高强化系数这就 体现了电场和电场力的方向对于气泡运动的重要性。k a r a y i a n n i s 对两 种电极布置方式进行了深入的研究。这两种布置方式只需少量的针状 电极和一个较弱的电场，并且通过调整电极与换热面之间的距离改变 电场均匀性和对称性。在管子上部产生最大滑移汽泡数，从而得到了 一个相当高的强化系数，这一结果表明了较低的电场也能获得较好的 强化效果。在董超，李瑞阳等进行的管内沸腾传热的e h d 强化试验中 采用的是对称电场，也取得了较好的传热强化效果。 到目前为止，对电场分布对e h d 强化传热的影响规律的研究尚停 留在定性分析上，还没有人对此进行深入定量的研究，因而就无法制 定出最优的电场分布，从而也无从确定最佳的电极的结构和布置方式。 3 2 3 电压的影响 在e h d 强化换热中电压是最为直接的影响因素。文献 8 通过实验 得到结果如图3 4 ，3 5 所示，图中给出了四种热通量下沸腾换热系数 的强化率与叫电压u 之间的关系，这里a a 为加电场后换热系数的 增加量，为零电场下的换热系数。由图可见，当电压小于4 k v 时， 山东大学硕士学位论文 几乎不产生换热强化，随着电压的增高，换热系数几乎呈指数函数形 式上升，在热通量较小的时候这种情况尤其明显。李瑞阳【4 5 1 通过试验 得到，当电场电压低于6k v 时，沸腾传热系数随电场电压的增加而显 著增加；当电场电压高于6k v 时，沸腾换热系数增加不大。总的来说， 随着外加电场电压的升高，换热系数提高，但是电压对换热系数的影 响程度随工质的性质热流密度的差异有着很大的差别。 1 4 0 1 2 0 1 0 0 窑8 0 口 j6 0 q4 0 2 0 0 024681 01 21 4 1 6 u k v 图3 4 不同热通量下沸腾换热系数的强化率卅与电压u 之间的关系 1 4 0 1 2 0 1 0 0 余 i8 0 。 6 0 q4 0 2 0 0 01 02 03 04 05 06 07 0 q ( k w m - 2 ) 图3 5 不同电压下采用线状电极时换热系数强化率a a a o 与热通量的 关系 山东大学项士论文 3 2 4 热通量的影响 在文献 8 中，实验验证了换热系数与热通量之间的关系，如上图 3 5 所示。图中给出了不同电压下采用线状电极时换热系数强化率与 a a a 。热通量q 之间的变化关系。其中电极直径为0 2 m m ，间距 = 4 4 m m ，4 个电极对称布置。从图可见，随着热通量的增大，强化率几 乎线性减小，而且原来强化效果越好( u 越高) ，下降得就越快。从图中 趋势可以预见，当热通量大到一定程度，电场将不起强化作用。 3 3 沸腾换热的实验研究 与e h i ) 强化沸腾换热的机理与理论研究相比，实验研究进程比较 成熟，其中包括对管内与管外单管与管束等不同结构，电极形状及布 置换热管表面状况和不同工质等各种影响因素的蹦d 强化沸腾换热实 验研究，旨在找到最佳的强化方式，获得最佳强化效果。对e h d 强化 挨热的研究，目前主要集中在实验研究和数据积累的阶段，而实验研 究的进展大于机理和理论研究的进展。文献 3 概括了对e h d 沸腾换热 所进行的各种实验研究，分为三个部分，对管外e h b 强化沸腾换热的 研究、对单管和管束的研究和对管内e h d 沸腾强化换热的研究。 对e h d 强化换热的实验研究主要集中在强化沸腾换热上。例如， 在1 9 6 0 年b o c h i r o l 在e h d 强化换热领域进行的第一次实验就是研究 e h d 对膜态沸腾区域的强化。 核沸腾的e h d 强化换热目前尚处于实验研究阶段，其e h d 效应尚 未在定性上达到共识，甚至出现许多相互矛盾的结论。例如，对于管外 核沸腾的e h o 强化实验，有的文献中认为电场对气泡产生抑制作用，使 其在传热表面上振动而强化换热，而有的文献则认为电场对汽泡产生 拉伸作用，对于强化机理也有不同解释。 文献 5 1 在以前工作的基础上，以氟里昂( r 1 1 ) 为工质，采用交流 电场，发现采用内翅管电极时，仅在2 k v 的交流电压下强化换熟就可 高达十几倍。文章得出结论，对于一定电场强度，电场对沸腾换热的最 大强化对应着一个最佳的热通量，当热通量增大时，换热系数强化率 迅速下降；当热通量变小时，强化率有所下降。因此，存在着一个最 佳热通量。这与文献 7 中得到的结论是相同的。文献 7 在分离式热 山东大学硕士学位论文 管结构的电水动力学( e h d ) 强化传热试验台上，采用r 1 l 工质、直流高 压电场，完成了垂直管内沸腾换热的e h d 强化试验研究，文章用实验 说明了热流密度和强化换热系数的关系。当热流密度维持不变时，随 着电场电压的增大，管内沸腾传热的换热系数也随之增大，即强化系 数随着电压的增大而增大，在文献 7 的试验范围内，最大强化系数可 达到4 2 8 。 沸腾换热的各影响因素大部分都是通过实验来验证的。在文献 8 中，作者用氟里昂( r 1 1 ) 为工质，对大空间光滑管外核沸腾的e h d 强化 进行了实验研究，得到了在外加交流电场的条件下沸腾换热系数与电 压、热通量、电极形式、数目、位置、形状等因素的相互关系。详细 论述了沸腾换热的影响因素。文章得到如下结论：( 1 ) 外加电场强度对 e h d 强化沸腾换热具有决定性的作用。当电压小于一定值时，几乎不起 强化作用，而随着电压的增高，换热系数几乎呈指数函数形式上升。 ( 2 ) 对于一定电场强度，e h d 对沸腾换热的最大强化对应着一个最佳的 热通量，当热通量增大时，换热系数强化率迅速下降：当热通量变小 时，强化率有所下降。总的来说，熟通量较小时的强化效果较好。( 3 ) 在给定的电压下，不同形状、数量、直径的电极及其布置方式都会产 生不同的电场分布，从而对换热系数产生不同的影响。文章得到的第 二点结论与很多实验中得到的结论是相同的。 通过对实验研究的分析，我们了解到。实验研究的面较广，涉及 到了电场强度、电场分布和电极结构的影响规律，也涉及到单管、管 束、管内管外光滑管及鳍片管等不同的情况，在工质上也涉及到不同 的单工质和混合工质。在研究的目的上，其出发点主要针对实际应用， 所采用的试验元件基本上是工程实际中使用的换热器元件，因此得到 的结果可以应用在工程实际上。另外，研究者的实验均取得了较明显 的传热强化效果，其换熟系数的增加量一般都在2 1 2 倍之间。当然， 在e h d 强化沸腾换热的研究取得不少进展的同时，我们通过分析现状 也可以看出，其研究还有待于深化，有不少问题尚有待于解决。从实 验研究来看，目前的实验研究虽然与机理和理论研究有结合，但总体 说来，实验研究处于基础研究与应用研究的中间地带。从基础研究上 讲，其实验研究并未真正揭示e h d 强化沸腾换热的机理：从应用研究 山东大学硕士论文 来讲，到目前为止，e h d 强化换热技术尚未真正投入工程实际应用。这 种状况与机理不清楚和现有的未形成体系的研究有关。 因此，在e h d 强化传热的实验研究上，目前主要应强化两方面的 研究 3 1 ：一方面是基础性研究，以探索机理和发展理论为目的；一方 面是应用性研究，以尽快投入工程实际应用为目的。基础性研究就是 对沸腾换热e h d 强化的实验与理论相结合的研究。到目前为止，对e h d 强化换热的研究工作主要集中在观察实验现象分析实验结果上，而对 于实验与理论的结合工作做得很少，因此，今后工作重点之一就是加 强实验与理论分析相互结合的研究，建立起描述电场作用下沸腾换热 的理论模型。实用性研究主要包括以下几个方面：( 1 ) 不同工质的研 究。为适应当前国际社会c f c 替代的趋势，应该进行c f c 替代物实验 研究；另外，现在空调热泵等制冷系统中通常采用的都是非共沸的混 合工质，而非共沸混合工质的相变传热( 沸腾传热和凝结传热) 系数比 共沸混合工质明显下降，所以对混合工质组分及比例的e h d 强化研究 在工程实际中具有更大的意义。现在，虽然有些学者对混合工质进行 了少量的实验探索，而所用