（材料物理与化学专业论文）绝缘性液体的电流体动力学换热特性的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 绝缘性液体的电流体动力学换热特性的研究 摘要 所谓的电动流体力学强化换热，是指研究在电场作用下流体各种性质的理 论，简单的说就是电场作用下的流体动力学。电流体动力学的实质是研究处于 电场中的流体内电荷运动与流体速度场耦合所引起的一系列特有现象。电荷运 动可以显著改变流体的运动规律并加强流体的混合过程。 本文对电动流体力学强化换热技术的发展进行了回顾，分析了凝结液膜在 电场作用下的特有现象；并综合了国内外前人研究成果的基础上设计制作了以 三氯一氟甲烷( c f c l l ) 为工质，由换热主体模型、加热系统、冷却系统、加压 系统及测量系统等主要部件组成的电场作用下的凝结换热模型，对电流体动力 学强化换热技术进行了实验研究，并对电动流体力学强化换热的机理也进行了 一定的分析。 通过实验结果可以看出，电场强化技术对凝结换热有明显强化效果，为电 场强化凝结换热理论研究的扩展提供了一定的依据。最后对电场强化凝结换热 机理进行了理论上的探讨，并通过理论对实验结果进行了分析，验证了本文提 出的电场强化换热技术是一种有效的强化凝结换热方法。 文中所研究的电场强化凝结换热理论，不仅为主动强化换热提供了一项新 的技术方案，而且为电磁学和热力学理论的跨学科研究有一定的促进作用。 关键词电场；凝结换热；电流体动力学；强化换热 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c h y d r o d y n a m i c so fi n s u l a t e df l u i d a b s t r a c t t h ee l e c t r o h y d r o d y n a m i c se n h a n c e dh e a tt r a n s f e r , s t u d i e st h en a t u r eo fv a r i o u s t h e o r i e so ff l u i du n d e re l e c t r i cf i e l d , i ns i m p l et e r m sf l u i dd y n a m i c su n d e re l e c t r i c f i e l d e s s e n t i a l l ye l e c t r o h y d r o d y n a m i c ss t u d i e se l e c t r i cc h a r g ec a m p m g ni nt h e c u r r e n tc o u p l e dw i t ht h ef l u i dv e l o c i t yf i e l dl e a dt oas e r i e so fu n i q u ep h e n o m e n o n c h a r g ec a m p a i g nc a ns i g n i f i c a n t l yc h a n g et h em o v e m e n to ff l u i da n dt oe n h a n c et h e p r o c e s so fm i x i n gf l u i d t h i sp a p e rr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o h y d r o d y n a m i c se n h a n c e dh e a t t r a n s f e rt e c h n o l o g y , a n da n a l y z e dt h eu n i q u ep h e n o m e n o no fe l e c t r o h y d r o d ) 7 n a m i c s f l u i dc o n d e n s e df i l m ，a l s oc o m p r e h e n d e db a s i so ft h er e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e so f d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lt od e s i g nf o rc f clla sw o r kf l u i d ，a n dc o m p o s e db y m a i nh e a te x c h a n g e rm o d e l ，h e a t i n gs y s t e m s ，c o o l i n gs y s t e m s ，m e a s u r e m e n ts y s t e m s a n do t h e rm a j o rc o m p o n e n t so ft h er o l e so fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rm o d e lu n d e r t h ee l e c t r i cf i e l d ，s t u d y i n ge l e c t r o h y d r o d y n a m i c se n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y e x p e r i m e n t a l l y , a l s od oc e r t a i n aa m o u n to fa n a l y s i sf o rt h em e c h a n i s mo f e l e c t r o h y d r o d y n a m i c se n h a n c e dh e a tt r a n s f e r f r o mt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec o n c l u d e dt h a tt h ee l e c t r i c f i e l de n h a n c e m e n tt e c h n i q u ec a ne n h a n c ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ro b v i o u s l y 1 1 地 r e s u l t sa r ev a l u a b l ef o re x t e n d i n gt h e t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o no fe l e c t r i cf i e l d e n h a n c e m e n to fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r 耶1 et h e o r e t i c a ld i s c u s s i o no ne l e c t r i c f i e l de n h a n c e m e n to fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mh a sb e e nm a d ea n d a n a l y z et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yt h et h e o r y , f r o mi tw ep r o v et h a tt h ee l e c t r i cf i e l d e n h a n c e m e n tt e c h n i q u ei sa ne f f e c t i v em e t h o do fe n h a n c e m e n tc o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f e r t h e t h e o r y o fe l e c t r i cf i e l de n h a n c e m e n to fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r - i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 m e n t i o n e di nt h i sp a p e rn o to n l ya d d san e wt e c h n i c a lp r o p o s a lt oa c t i v eh e a tt r a m f e r e n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y , b u ta l s op l a y sp r o m o t er o l ef o rc r o s s i n gd e v e l o p m e n to f e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n dt h e r m o d y n a m i ct h e o r y k e y w o r d se l e c t r i cf i e l d ，c o n d e n s e dh e a tt r a n s f e r , e l e c t r i c h y d r o d y n a m i c s ，e n h a n c e d h e a tt r a n s f e r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文绝缘性液体的电流体动力学 换热特性的研究，是本人在导师的指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：1 渺 日期：2 0 0 8 年3月雪日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 绝缘性液体的电流体动力学换热特性的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于保密 口 在年解密后适用授权书。 不保密日 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：怖俞 日期：2 0 0 8 年3 月，岁日 导师签名：7 j 甄乔天 日期：2 0 0 8 年3 月箩日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 电场强化传热是一种很有发展的主动强化传热方法，并且强化效果显著、 而且具有功耗低、易于控制表面热流密度等优点，这些年来引起了国内外学者 和工程技术人员的极大兴趣。由于电场强化换热机理的比较复杂，到现在为止 还处于以试验积累数据为主的研究阶段，尚未有成熟理论。尤其是关于电场力 提拉冷却面壁上的凝结液膜，使之变成了珠状或准珠状，减少热阻，强化换热， 这一类的研究报导在国内鲜有见之【1 1 。本文利用自行设计的模型，用c f c l l 作 为工质，采用各种电极对高压电场下凝结液膜的不稳定性进行了实验研究，所 得实验结果对强化换热理论和应用都有一定的价值。 强化换热技术在工程热物理学科和能源利用工程中是一个重要的研究领 域。目前，强化换热技术发展很快，按其强化方式的不同，国外将这些强化换 热技术划分为“主动”强化方法和“被动”强化方法【2 , 3 1 。电场强化换热技术就是一 种主动强化换热方法。它利用电场、流场和温度场的相互作用而达到强化传热 的目的。 据现有的实验和理论研究成果看，电场强化换热具有以下的优点： 1 ) 传热强化效果显著：根据试验结果1 4 1 ，对单相对流换热，当利用e h d 射 流方法时，其换热系数最大可增) ) 1 1 0 0 倍；对凝结换热，其换热系数可增加约6 倍：对核状沸腾传热，其换热系数最大可增加5 0 倍。 2 ) 设备简单：仅需一台电压转换装置及附加的电极。 3 ) 易于控制热流和温度：在任何换热表面，特别是需要控制局部温度和局 部热流的应用场合，只需控制电压就可以达到迅速控制热流和温度的目的。 4 ) 适用于某些特殊场合：如在航天器中，由于没有重力，沸腾传热中气泡 不易脱离传热表面，从而引起传热恶化甚至导致事故。而电场强化换热技术的 应用可很好地克服这一弊端。 5 ) 应用面广：从传热方式上，它不但可以应用于单相对流传热，而且在凝 结传热和沸腾传热中也可以取得很好的效果；从工质的角度，它不但可以应用 于气体、油等绝缘流体，而且可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l 堋。 6 ) 功耗低：虽然在实际应用中，流场内电场的总电压相当高( 一般在2 0 k v 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以上) ，但电流很小，相对于传热量，其功耗可以忽略不计。 上述这些因素都促使人们进行强化传热技术的研究，并力图从理论上解释 各种强化传热技术的机理，从大量的实验中总结出强化传热的规律性，以便在 工业生产领域中加以推广和应用，同时去探索新的更为经济的，实用的强化传 热技术。因此，世界各国的科学家对此领域的兴趣越来越浓厚，发表的有关论 文也越来越多。 1 2 国外电场强化换热的研究发展现状 一般地，热量的传输通过导热、对流与辐射三种方式进行，其中对流换热 按照其发生的原因分为自然对流换热和强制对流换热。自1 7 世纪以来，人们就 注意到，作用于介电流体上的力可产生流体力学效应，如涡流、湍流等【7 1 。而流 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 【8 】申请了专利。但是在此后的四十多年里，该项技术并没有受到注意和重 视。2 0 世纪7 0 年代后，由于对各种节能技术发展的急切要求，加上太阳能，地 热能，海洋能的利用和高效制冷，热泵系统的发展【9 1 ，以及尖端技术发展使得电 子设备的释热量同益提高，高效换热技术日益受到重视。近二十年来，学者们 将电场强化技术运用到凝结换热进行了理论和实验的深入研究。 1 2 1不同电极对电场强化换热的影响 2 0 世纪6 0 年代，m i l l e r 和v e l k o f f t l o l 进行了有横向静电场的垂直平板上的蒸 汽凝结实验。采用了3 种不同结构形状的电极：1 夕f 、径为1 0 2 1 x r n 的线状电极， 水平地横放在冷凝板前；2 网格尺寸为1 0 2 1 u n 的网筛电极；3 铝制平板电极， 冷凝面为高15 2 m m 、宽2 2 9 m m 垂直放置的铜板。实验表明，在相同的实验条 件下，网筛电极的强化效果最好，最大强化效果约为不加电场时的3 倍，铝制 平板电极和线状电极的最大强化效果约为1 7 倍和1 4 倍。 1 9 6 8 年，c h o i i 川在垂直管内做了电场强化凝结换热实验，分别采用外径分 别为6 3 、1 2 7 、1 9 1 m m 的电极，电极与冷凝管同轴放置。实验观察到，当电 极的直径改变时，蒸汽的环状流道以及与电极之间径向间隙的距离均会改变。 1 9 8 7 年，y a b e t 坨l 在竖直管外进行实验时，采用4 种电极作比较，它们分别 为网状电极、线状电极、环状电极和螺旋状电极。实验表明，在网状电极的许 多点上，存在e h d 抽吸现象，但吸出的液体只能顺着竖直部分排出，因此，在 冷凝面上的冷凝膜有的部分厚，有的部分薄；竖直的线状电极上，吸出的冷凝 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 液由于重力的作用可以迅速排出，但e h d 抽吸效果不很理想；环状电极吸附的 冷凝液不能及时排出；而螺旋状电极的效果最好，一方面e h d 抽吸现象明显， 另一方面吸出的冷凝液能及时排出。在确定最佳电极后，作者又对该电极进行 了改进，将电极分段，并对抽出角和排出角进行了一定程度的优化。 s i n g h 等1 1 3 1 于1 9 9 7 年进行了e h d 管内强化换热的研究。在光滑管内进行了 8 种不同电极的研究，光管外径为1 2 7 m m ，内径为1 1 0 m m ，长度为3 0 5 m m 。 在该实验中，电压从0 v 加到仅次于击穿电压，实验结果列入表2 。由表2 可看 出，2 号电极和3 号电极的效果最好。这是因为在强化两相凝结的过程中，电场 使汽一液界面不稳定，张力促使界面向电场高的方向移动。由于电极表面的曲 率半径小，电场强度高，冷凝面上液体被吸向电极表面( 液体抽吸现象) ，使凝 结膜变薄，这是提高换热效率的最主要因素。但是，当电极与换热面靠得太近 时，如4 、5 、6 号电极，电场力覆盖了电极和冷凝换热面的整个空间而使管壁 上的液体产生毛细作用，这使换热系数急剧减少。1 号电极离换热面的距离太远， 不能达到足够的强化效果。 表1 1 文献f 1 3 】的试验条件及结果 t a b l e i 1t e s tc o n d i t i o n sa n dr e s u l t so f t h er e f e r e n c e f 1 3 1 r e n c a i 和c h u 等【1 4 】为减小能量损耗，对带有局部涂层的电极进行了e h d 强 化冷凝换热的研究，并得到了强化换热系数与电压的关系。实验结果显示，利 用带有涂层的电极不仅换热系数可以提高，而且能耗要比裸电极的低很多，当 对肋管进行强化冷凝换热时，换热系数比无电场时高3 倍。 1 2 2电场强化换热与电压的关系 1 9 8 1 年，d i d k o v s k y 和b o l o g a t ”i 研究了在电场强度变化的条件下强化换热 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 的效果。为了解冷凝强化换热效率比口e a e 。与电压的关系，实验结果被处理成 a 。 u u 。的关系，如图1 - l 所示。从图中曲线可以看出，电场力的作用 大小可分为3 个区域： a u u 。 4 6 是缓和区，即口f a 。的 增长有下降趋势。这是因为横向电场力的进 一步增加已经对凝结膜在重力作用下的降 落产生了一定的阻碍作用。 这两位学者在1 9 8 7 年作了进一步的观 1 2 3 对不同工质的研究 对e h d 强化冷凝的实验中，大都采用制冷剂进行研究。由d i d k o v s h y 、 哈尔滨理_ 亡大学工学硕士学位论文 b o l o g a 、y a b e 、s u n a d a 和y a m a s m m l l 唧2 1 ，2 2 】所做的工作可以看到，对于多种工质 ( 如r 11 3 、r 1 2 3 及其它有机物) ，e h d 效应可在很大程度上增强凝结换热。 在文献【2 3 j 中，b o l o g a 和d i d k o v s k y 分别用乙烷、氟利昂和乙醚3 种工质进行了 研究。认为由于3 种材料的电参数不同，因而结论不同。乙烷和氟利昂为非极 性液体( 乙烷：s ，。= 1 9 ，盯，。= 5 1 0 q 3 q 叫m - 1 ；氟利昂：1 1 3 ，s 2 0 = 2 4 5 ，o r 2 0 = 8 x1 0 叫2 q 。m1 ) ，电场对其影响较小；乙醚为极性液体( s 如= 4 3 ，仃，。= 7 1 0 嵋q q m _ 1 ) ，电场对乙醚的影响较大，这是因为产生了自由电荷，促使库仑力的产生。 19 9 7 年y a m a s h i t a 等【2 4 】测试了c 6 f 1 4 4 ，c f c l1 4 和r 1 2 3 的e h d 强化凝结效 果。c 6 f l “的最大强化效果为无电场时的4 倍，c f c l l 4 为6 倍，r 1 2 3 为5 9 倍。 实验表明，r 1 2 3 在e h d 的强化下大大提高了其凝结率。由于r 1 2 3 是一种c f c 的替代物，因此，研究它的强化特性使e h d 的强化技术向实用迈进了一步。 为了保护环境，r 1 2 3 是c f c l l 有效的替代物，s u n a d a 和y a b e 【2 5 1 用这两种 工质作了比较。r 1 2 3 在电场强度为3 m v m 时出现假滴状凝结，该电场强度比 c f c l l 出现假滴状凝结的电场强度要低，而且r 1 2 3 假滴状凝结的液滴直径比 c f c l l 的小。这是因为r 1 2 3 的导电率为1 0 喝q q m - 1 ，而c f c l l 约为1 0 。1q 。1 m - 1 ， 所以r 1 2 3 的电荷松弛时间比c f c l l 小1 m s ，电场可以在较短时间内有较大的 影响，从而达到更好的效果。 1 2 4 对光管和强化管的研究 19 9 6 年，w a w z y n i a k 和y a g o o b i 2 6 1 对e h d 强化垂直管外凝结进行了试验研 究。采用了长度约为l m ，外径为1 9 0 5 m m 的光管和强化管( 翅片管) ，电极为 厚1 4 m m 、宽3 m m 的黄铜条，呈螺旋形，与冷凝管同轴且保持1 6 r a m 的间距。 强化管带有锯齿状的肋，肋顶呈矩形( 0 3 m m 0 5 r a m ) ，肋长为0 5 m m 。当电 压为6 k v 时，强化管的换热系数为不带电场时的6 1 倍，而光管仅为1 7 5 倍。 1 9 9 7 年，s i n g h l 2 7 】等人对水平光管和低肋管的管内凝结换热e h d 强化进行了研 究。两种试验管的尺寸如表1 3 。 表1 - 2 试验管的几何尺寸f 2 7 1 t a b l e1 2d e s c r i p t i o no ft h eu s e dt e s tt u b e 2 7 1 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 当使用光滑管时，电压从0 v 升到仅次于击穿电压时，所得的最高强化换热 倍数为无电场时的6 倍。使用同样的方法，低肋管的最高强化换热倍数仅为2 倍。文献作者认为，当使用低肋管时，液体抽吸现象被抑制，仅仅强化了电对 流作用，因而强化效果较差。 从文献| 2 8 】和文献【2 9 1 给出的相互矛盾的结论可以看出，对于光管和强化管( 翅 片管) ，从研究的角度，在外电场作用下，影响换热的因素以及得出以上相互矛 盾结果的原因尚不十分清楚，有待进行更深入的研究；从应用的角度，应考虑 应用的场合和条件，才能得到预期的效果。 1 2 5 工质中杂质的影响 s e t h 和l e e t 3 0 1 在研究e h d 强化冷凝换热时，对工质中含有的非凝结性气体 对换热的影响进行了试验。采用管外凝结，以c f c l l 3 为工质，在工质中加入 不同比例的空气进行试验。试验结果表明，无论是否施加电场，非凝结性气体 都不利于凝结换热，而且随非凝结性气体含量的增加，换热系数下降。但是， 无论有无非凝结性气体，电场对冷凝换热都有强化作用。 b o l o g a 等【3 l 】也就非凝结性气体对e h d 强化冷凝换热的影响进行了试验研 究。工质分别为c f c l1 3 氦、c f c l l 3 空气、c f c l l 3 c 0 2 、乙烷空气，非凝结 性气体对e h d 强化冷凝换热的影响与文献【3 2 】的趋势相近。 y a m a s h i t a 等【3 3j 就工质中含油量对冷凝换热的影响进行了试验研究。采用 c f c l1 4 为工质，其中分别含有一定量的润滑油。试验结果表明，当工质中含有 润滑油时，电场对冷凝换热仍然具有强化效果，润滑油的存在对换热的影响可 以忽略不计。 1 3 国内电场强化换热研究发展现状 国内对此项技术的研究起步较晚，而且大都集中在电场强化沸腾换热2 l 及强制对流换热 4 3 , 4 4 4 5 】的研究中。国内杨嘉祥、陈春天教授等1 设计实验模型， 并以c f c l l 为实验工质，进行了电场凝结换热的实验，其结果表明，在外加电 压为1 5 k v 的时候，最大强化换热系数达到1 4 倍。而安恩科等【4 7 1 利用电场强化 技术对水平管内凝结换热的强化进行了实验研究，换热表面与线状同心电极构 成强化电场，结果表明，电场强化技术对水平管内的冷凝换热有明显的强化效 果，最大强化凝结换热系数为1 6 倍。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 电场强化换热技术 强化换热技术在工程热物理学科和能源利用工程中是一个重要的研究领 域。目前，强化换热技术发展很快，按其强化方式的不同，国外将这些强化换 热技术划分为“主动强化方法和“被动 强化方法 4 s , 4 们。电场强化换热技术就 是一种主动强化换热方法。它利用电场、流场和温度场的相互作用而达到强化 传热的目的。 据现有的实验和理论研究成果看，电场强化换热具有以下的优点： 1 传热强化效果显著。根据试验结果1 s o , 5 1 , 5 2 1 ，对单相对流换热，当利用e h d 射流方法时，其换热系数最大可增n l o o 倍；对凝结换热，其换热系数可增加约 6 倍；对核状沸腾传热，其换热系数最大可增加5 0 倍。 2 设备简单。仅需一台电压转换装置及附加的电极。 3 易于控制热流和温度。在任何换热表面，特别是需要控制局部温度和局 部热流的应用场合，只需控制电压就可以达到迅速控制热流和温度的目的。 4 适用于某些特殊场合。如在航天器中，由于没有重力，沸腾传热中气泡 不易脱离传热表面，从而引起传热恶化甚至导致事故。而电场强化换热技术的 应用可很好地克服这一弊端。 5 应用面广。从传热方式上，它不但可以应用于单相对流传热，而且在凝 结传热和沸腾传热中也可以取得很好的效果；从工质的角度，它不但可以应用 于气体、油等绝缘流体，而且可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 l j 6 功耗低。虽然在实际应用中，流场内电场的总电压相当高( 一般在2 0 k v 以上) ，但电流很小，相对于传热量，其功耗可以忽略不计。 1 5 本文的主要研究内容及项目意义 本课题来源于黑龙江省教育厅科学技术研究项目：静电场强化冷凝换热效 应的研究( 1 0 5 l1 0 9 4 ) 。 在对国内外相关技术领域进行充分调研的基础上，针对电场强化换热的特 点，选择以c f c ll 为工质，由换热主体腔、冷水腔和热水腔、恒温水浴、流量 计等主要部件组成换热系统模型。对电场强化凝结换热进行系列实验研究，求 得电压对换热主体内饱和蒸汽压、凝结换热系数、强化系数等的关系。最后在 理论上探讨电场强化凝结换热的机理，对实验结果进行了分析。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 随着环保意识的不断增强，新能源的开发和利用越来越受到重视。一方面 从硫酸厂、水泥厂、玻璃厂、钢铁厂、大型柴油机等排放的废热对环境热污染 严重；另一方面造成了能源浪费。所以为了社会环境的可持续性发展，废热的 回收和利用成为发展中国家和发达国家都在研究的热门问题。利用低温余热发 电，是解决这一问题的有效方法之一。低温余热发电中存在的关键技术问题是 所用的蒸发器及实验主体间的温差小，换热能力弱，换热器体积庞大，占地面 积大。在利用有机工质的双循环系统的低温余热发电系统中，由于不少低沸点 工质( 如氟利昂) 具有低的表面张力和高的湿润性，不宜运用通常采用的表面处 理强化方法，而通常所采用的有源强化换热技术( 如搅拌法、振动法等) 由于噪 声大、能耗大，也不适于在低温余热发电系统中采用。所以本文在换热模型设 计中采用了电场强化冷凝换热技术，它无噪声，能耗低，可在很大程度上提高 换热系数，减少换热器的换热面积，使设备占地面积小，易于控制热流和温度， 为在我国推广电流体动力学强化换热技术进行了有意义的探索。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章凝结液膜的不稳定性分析 2 1 电场下液膜的不稳定性 在电流体动力学实验中，一般都采用c f c ll 等液态有机物或水作为实验工 质。汽化后，在冷凝面上凝结成液膜，形成热阻，阻碍传热。 电场对凝结换热有促进作用的重要原因之一对液膜有一定的扰动作用，使 电场使气一液界面处于不稳定状态，电场力提拉冷却管壁上的凝结液膜，液膜凝 结成珠状或准珠状，减少热阻，强化了凝结换热【5 3 1 。 2 2 液膜不稳定性的研究分析 2 2 1 电场下液膜的状态 电场强化换热实验中，换热主体内的工质受热达到沸点后蒸发，遇到冷凝 面凝结成液膜。液膜在高压电场的作用下扰动。场域模型如图2 1 所示，凝结 液膜在电场中受到一个单向张力仃。，设d o 为表面未受干扰的凝结液膜厚度，高 压电极与未受干扰时液膜表面距离为b 。在高压电场的作用下，凝结液膜表面受 到一个正弦曲线形式的表面微扰，使得d = a c o s ( f o x ) ( 口 1 ，t a n d a ) b 一1 。式( 2 - 6 ) 可简化为 一i d a ：d f 2 2 h) ( 2 9 ) o , , 国2 ( ? 6 9 2 口6 0 + j一一= 一- jz - y j 口d tr t 。 式中 一华( 峨一熹川叫譬 肛华专 ( 1 ) 如果口 0 ， 0 ，电场的交互作用抑制表面微扰，不会有表面不稳定 性发生。 ( 2 ) 如果口 0 ， 4 垆，则会有两个临界频率 吃= ( 叫 2 - 4 y f l ) 2 y ( 2 - 1 2 ) ( 4 ) 如果口 0 ， 0 ，则只有一个临界频率 吃= ( 一口一口2 - 4 # ) 2 7 ( 2 - 1 3 ) 如果在长空间波长的表面微扰中，咖 l 的流体将被 移动到较高咆场强度的区域，式 ( 3 1 1 ) 显示了厂3 垂直于等电势线。 从以上j 个力的分析中我们看 出以下两点：第一，较高介电常数 图3 2 电场作用下的液体抽吸现象 f i g 3 - 2l i q u i de x t r a c t i o nb ye l e c t r i cf i e l d 1 6 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 的流体将受剑个较大的力并且占有电场强度最强的区域，如图3 2 所示。第二， 万的方向并不依赖于电场的极性，也就是说，这个力是单向的，它取决于v e 2 。 在液体、蒸汽系统中， 厂s 存在于液体和蒸汽中，它 的大小取决j 二函和v e 2 。而 对于大部分流体来说，它的 蒸汽态的相对介电常数几乎 是不变的( 即占1 ) ，施加 于蒸汽内的力可以忽略不 计，冈此，我们只考虑液体 ( s ， 1 ) 内的力，如图3 。3 所示。 图3 - 3 电极系统中的厂3 f i g 3 - 3f 3 i na ne l e c t r o d es y s t e m 而疋表示的是电致伸缩力，它不依赖于外加电场的均匀性，而是依赖于介 电常数的改变。因此，该 力会出现在介电常数变化 比急剧的汽液界面上。该 力的方向与介电常数增加 的方向相同( 从蒸汽到液 体) 并且垂“于汽液界面。 它与厶相反。厂：将使液滴 的尺、拘戒小斤扰动汽液界 面，该力在凝结换热中的 效应如图3 4 所示。 3 2 实验主体部分 图3 4 工作用l - f l o 汽液界面扰动和液滴形成 f i g 3 - 4l i q u i d v a p o u ri n t e r f a c ed i s t u r b a n c e a n dd r o p l e tf o r m a t i o nu n d e r 3 2 1 实验工质的选择 由于实验研究的目的是利用静电场强化凝结( 低沸点工质) 换热，因此所 选用的一i 二质需要满足以下条件： 1 必须赴低沸点 ：质。因为低沸点工质的凝结换热系数较低，采用通常的表 面处理强化j 持施效果并不好，但这类工质在低温余热回收技术，电子元件冷却 等方l f 【i 的应j j 还十分重要，而e h d 强化技术却可以克服通常所用的强化方法的 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 不足之处，即使工质的表面张力较低，湿润性较高，仍能强化低沸点工质的凝 结换热。 2 必须赴绝缘性能良好的介质。由于采用的强化措施属于主动强化，需要消 耗一定的能逯，但是如果消耗的能量要大于换热提高所带来的效益，那就得不 偿失了。对卡e h d 强化技术而言，尽管所需要的电场强度比较高( 电压较高) ， 但是如果所选用的工质绝缘性能良好，则回路中的电流并不会很大，故消耗的 功率也不会大。因此，选用绝缘性能良好的介质，降低流过工质的电流，就可 以达到消耗咆能小的目的。所以应该选用绝缘性能良好的工质。 3 热稳定性要好。 4 工质在工作温度下的饱和压力不要过高。因为过高的饱和压力，对实验设 备的强度和密封性能要求高，所以选用饱和压力低的工质可以降低对设备的要 求，从而减少实验成本，并能增加安全性。 5 要求所选用的工质比较常用，容易购买和储存。 满足上述5 个要求的工质实际上是不存在的，所以，我们只能相对的去进 行比较，选择合适的。常用的低沸点工质有各种氟里昂( c f c l l ，r 2 2 等) ，丙 烷( c 3 h 8 ) ，正。t 烷( n c 4 h 1 0 ) ，氨( n h 3 ) 等。它们的基本性质如表3 1 所 示。 表3 1 低沸点工质的基本性质 t a b l e3 1b a s i cc h a r a c t e r i s t i co fl o wb o i l i n gt e m p e r a t u r ew o r k i n gf l u i d 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 在选择。i = 质时，必须先根据热源的温度，选择相对的蒸汽压力范围适当的 工质，然后再对其它性能进行比较。例如，对于海洋温差发电，温海水的温度 只有3 0 左右，冷海水的温度为7 左右，在此温度范围内，可供选择的工质 有氨、r 1 2 与r 1 1 2 等。对于温度为1 2 0 c 左右的地热资源，可用c f c l l 4 、丁 烷等作为工质。根据工作温度，可以选择到工作压力范围适当的工质。一般的 有机j 工质在l5 0 以上会产生热分解，因此，最高的工作温度受到限制。近年来， 美国研究开发出一种新的有机工质r 8 5 ，它由8 5 的c f 3 c h 2 0 h 与1 5 的h 2 0 混合而成，沸点为7 5 4 ，工作温度可达3 0 0 以上。对2 0 0 - - 5 0 0 范围的余 热，它的动力回收性能比水蒸气优越，已成功地用于回收烧结冷却机3 5 0 左右 排气显热，以有机工质动力循环回收电力。结合本试验的实际情况，选用c f c l l 作为工质，在标准大气压下，这种工质的沸点为