（高电压与绝缘技术专业论文）低温余热发电模型中ehd强化凝结换热效应研究.pdf

摘要 低温余热发电模型中e h d 强化凝结换热效应研究 摘要 e h d ( e l e c t r o h y d r o d y n a m i e s ) 强化换热，是指在流体中施加一电场，利 用电场与流体中的流场、温度场相互耦合而使换热系数增加，从而提高换 热效率的一种主动强化换热方法，近年来成为国内外学者广泛关注和潜心 研究的重要课题之一。在换热器中采用e h d 强化凝结换热技术，可以减 小换热面积，解决其体积庞大问题。本文以回收低温余热源的低温余热发 电模型为基础，以解决低温余热发电系统中存在的换热器温差小、换热能 力差等关键技术问题为主要目的，开展了e h d 强化凝结换热效应的实验 及理论研究。 本文在对国内外相关领域进行了充分调研的基础上，针对低温余热发 电特点，自行设计、组装了以r 1 l 为工质、由蒸发器，e h d 冷凝器、涡 轮机一发电机组等主要部件组成的热力系统模型。对低温余热发电系统的 研究结果表明：以低沸点介电流体为工质可以构建低温余热发电系统，但 存在发电效率低等问题。针对这一实验模型进行了e h d 强化凝结换热及 发电的实验研究。实验数据显示：在相同换热面积和相同工质流量条件 下，在冷凝器内对换热流体旌加高压电场，凝结换热系数随着外施电压的 升高而增加。在有电晕放电的情况下，凝结换热系数增加加快。 论文从静电场强化换热理论出发，建立了表征e h d 冷凝器中电极间 的温度场、电场和电流体力场模型，分别对电场分布、两相流中的凝结过 程以及所分析场域的电场力分布进行了数值模拟。利用介电流体的受力不 均匀性，对场域空间内流体所受电场力进行了分析。结果表明：电场会引 起介电流体的不稳定性，导致管壁膜状凝结转变为珠状或准珠状凝结；电 场也可引起场域空间气体的“紊流”并导致换热的增强。最后从流体在电 场作用下的受力情况对e h d 强化凝结换热机理进行了理论上的探讨，并 对实验结果进行分析，得出e h d 技术对介电流体的凝结换热有明显强化 效果的结论。 该项研究的实验模型不仅可以利用在低温余热发电系统，而且对地 热、太阳能及海洋温差发电均有参考价值。论文中所研究的e h d 强化凝 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 结换热技术是低温余热发电工程中一个具体应用，为e h d 强化换热技术 的实用化提供了实验基础。文中所研究e h d 强化换热理论，不仅为有源 强化换热提供了一项新的技术方案，同时，本文对e h d 强化凝结换热理 论研究的扩展也有一定的参考价值，而且对电磁学、流体力学和热力学理 论的跨学科研究有一定的促进作用。 关键词：低温余热；发电模型；e h d 凝结换热 a b s t r a c t i t e s e a r c ho nt h ee f f e c to fe h d e n h a n c i n gc o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f e ri nt h em o d e lo fp o w e r g e n e r a t i o nu t i l i z i n gl o w t e m p e r a t u r ew a s t e dh e a t a b s t r a c t e h d ( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ) h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tr e f e r st o 也ea c t i v e h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u ei nw h i c ha r te l e c t r i cf i e l di se x e r t e do na d i e l e c t r i cf l u i dt oi n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yg r e a t l yb yc o u p l i n gu pt h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d i n r e c e n ty e a r s i th a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt o p i c st h a ta t t r a c tw i d e a t t e n t i o na n dr e s e a r c hf o c u sf r o md o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r s a p p l y i n ge h dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n i q u ei nh e a t e x c h a n g e rc a nd e c r e a s eh e a tt r a n s f c ra r e a ，w h i c hs e r i e sb u l kv o l u m ei s s u eo f h e a te x c h a n g e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee x p e r i m e n t a t i o na n dm e c h a n i s mo f e h dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f c re n h a n c e m e n tw e r es t u d i e d w h i c hb a s e do n l o wt e m p e r a t u r ew a s t e dh e a tp o w e r g e n e r a t i o nm o d e lo fc a l l b a c kl o w t e m p e r a t u r e w a s t eh e a ts o u r c e ，a n da i m e da t o v e r c o m i n gt h e b o t t l e n e c k p r o b l e m sa b o u tl o wt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dp o o rh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo f h e a te x c h a n g e r se x i s t i n gi nl o wt e m p e r a t u r ew a s t e dh e a tp o w e r g e n e r a t i o n t h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no nn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a ls t u d i e si nr e l e v a n t f i e l d s i nt e r m so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wt e m p e r a t u r ew a s t e dh e a tp o w e r g e n e r a t i o n ，at h e r m o d y n a m i cs y s t e me x p e r i m e n t a lm o d e li sd e s i g n e da n d c o n s t r u c t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hm a i n l yc o n s i s t e do fe v a p o r a t o r ，e h d c o n d e n s e ra n ds t e a mt u r b i n e g e n e r a t o rc o m b i n e dw i t hr 1 la sw o r k i n gf l u i d 1 1 1 er e s e a r c ho fl o wt e m p e r a t u r ew a s t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi n d i c a t e s t h a tal o w t e m p e r a t u r ew a s t e dh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mc a nb eb u i l tu s i n g l o wb o i l i n gp o i n td i e l e c t r i c a lf l u i da sw o r k i n gf l u i d ，h o w e v e rt h ep r o b l e mo f l o wg e n e r a t i o ne f f i c i e n c ye x i s t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e 1 i i - c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n ti n c r e a s ew i t ht h ea p p l i e dv o l t a g eo nt h e f l u i di nc o n d e n s e ru n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m eh e a tt r a n s f e rs u r f a c ea r e a a n dt h es a n l ef l o wr a t eo fw o r k i n gf l u i d a n dt h ei n c r e a s eo ft h ec o n d e n s a t i o n h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e c o m e sr a p i dw h e nc o r o n ad i s c h a r g eh a p p e n e d b a s e do ns t a t i ce l e c t r i cf i e l dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt h e o r y , t h em o d e l s o fc h a r a c t e r i z i n gt h e r m a lf i e l d ，e l e c t r i cf i e l da n df l u i df o r c ef i e l di nt h e i n t e r e l e c t r o d eo fe h dc o n d e n s e rw e r ee s t a b l i s h e d m e a n w h i l et h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sm a d ef o rt h ed i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l d ，t h ec o n d e n s a t i o n p r o c e s sa n dt h ef i e l df o r c ed i s t r i b u t i o ni nt h et w o p h a s ef l o w t h ed i s t r i b u t i o n o fe l e c t r i cf i e l df o r c ew e r ea l s oa n a l y s e da c c o r d i n gt ot h ea s y m m e t r yo ff o r c e i nt h ef l u i di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee l e c t r i cf i e l dc a n i n d u c et h ei n s t a b i l i t yo fd i e l e c t r i cl i q u i da n dc o n d e n s a t i n gf i l mo nt h et u b e w a l lw i t hb e a do rq u a s i - b e a d a tt h es a m et i m et h ee l e c 仃i cf i e l da l s oc a nc a u s e t u r b u l e n c ei ng a sf l u i da n dr e s u l ti nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t f i n a l l yt h e t h e o r e t i c a ld i s c u s s i o no ne h dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dt h e a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u n sa r em a d ef r o mt h ee l e c t r i cf o r c ee x c e e do n f l u i d s i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ee h dt e c h n i q u ei sa b l et oe n h a n c ec o n d e n s a t i o n h e a tt r a n s f e ro b v i o u s l y t h em o d e lo ft i l i ss t u d yn o to n l yc a nb eu s e di nl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a t g e n e r a t i o ns y s t e m ，b u ta l s oh a sv e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ei nt e r r e s t r i a l h e a t s o l a rp o w e ra n ds e at e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eg e n e r a t i o n t i l i st e c h n i q u eo f e h dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si sa c o n c r e t ea p p l i c a t i o ni nl o wt e m p e r a t u r ew a s t e dh e a tp o w e rg e n e r a t i o nw h i c h o f f e r sa l l e x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h et h e o r yo f e h dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti n t h i sd i s s e r t a t i o nn o to n l yo f f e r san e w t e c h n i q u es c h e m ef o ra c t i v eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tb u ta l s oi ti sv a l u a b l e t oe x t e n dt h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no fe h dc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ，a n di th a sad e f i n i t ep r o m o t e de f f e c tf o rb e s t r a d d l i n gs u b j e c t i n v e s t i g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c s ，h y d r o d y n a m i c s ，a n dt h e r m o d y n a m i c st h e o r y k e y w o r d s ：l o wt e m p e r a t u r ew a s t e dh e a t ；p o w e rg e n e r a t i o nm o d e l ；e h d ； c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r i v - 哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文低温余热发电模型中e h d 强 化凝结换热效应研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位 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：防日期：2 印年s , 9 o 日 哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书 低温余热发电模型中e h d 强化凝结换热效应研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。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。 不保密回 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名彳笔心 导师签名夕锤免铆 日期：解钿肜日 日期乒叼务月幻日 第l 章绪论 第1 章绪论 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。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课题，低温余热发 电是这一研究领域的重要课题之一。由于低温余热发电系统中所用的蒸发器 及冷凝器问的温差小，因而需要换热器具有庞大的换热面积和体积，以满足 换热要求，这使得低温余热发电系统的一次投入成本巨大，工程造价过高。 并且，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润湿性，不宜运用通常采用的表 面处理强化方法，而般的主动强化换热技术( 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。 工程上采用强化换热主要有两个目的：1 ) 在给定的热功率下减少换热器 的尺寸；2 ) 降低工质与换热面阃的温差，从而提高热力设备( 如制冷系统、 余热回收系统) 的整体效率。所以，强化换热作为节能的有效手段之一，在 工业、农业、空间和生物技术，尤其在能源开发、高效制冷、热泵系统“1 及 其它能源传递及转换等各领域都有广泛应用，因此，对其进彳亍开发、研究和 利用具有重要的现实意义。 强化换热可分成以下两大类o 】【”： 1 )被动式强化换热技术：这是指不直接采用外界动力而进行强化换 热的技术，它包括粗糙表面、扩展表面、机械插入物( 扰动和旋涡发生装 置) 、螺旋管以及各种液体和固体添加剂等。它们各有特点，可根据过程的 具体情况选择使用。 2 )主动式强化换热技术：这是指利用外界动力的各种强化措施，包 括射流冲击、机械振动、外加电磁场和抽吸等。这类强化技术由于需要消耗 附加的能量，技术又比较复杂，所以不如第一类应用广泛。 另外，为了获得更大的强化传热效果，有时也将两种或两种以上的强化 措施同时应用，这种方法称为复合强化技术。 e h d ( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ) 强化换热技术是在流体中施加一外电场， 利用电场、流场和温度场的相互耦合而达到强化换热的目的，它比起其它 晗尔滨理工大学工擘博士学位论文 主动强化换热技术具有以下优点： 1 )换热强化效果显著。根据实验结果“1 ，对单相对流换热，当利用 外加电场射流方法时，其换热系数最大可以增加1 0 0 倍：对凝结换热，其换 热系数可增加6 倍左右；对核态沸腾换热，其换热系数最大可增加约5 0 倍。因而外加电场强化换热具有良好的应用前景。 2 )设备简单。仅需一台高电压转换装置及附加电极。 3 )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，只需要控制电压就可以达到迅速控制热流和温度 的目的5 1 嘲。 4 )适用于某些特殊的场合。如航天器中，由于没有重力，沸腾换热 中气泡不易脱离换热表面，从而引起传热恶化甚至导致事故，而外加电场强 化换热技术的应用可以很好地克服这一弊端。 5 )应用面广。从换热方式上，它不但可以应用于单相对流换热，更 适用于凝结换热和沸腾换热；从工质的角度，它不仅可以应用于气体、油类 等绝缘液体，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 开始使用的c f c 替代物“1 。 6 ) 功耗低。虽然在实际应用中，要求施加高电压，但电流一般为毫安 或微安级，相对于换热量，其功耗可以忽略不计。 现在，海洋能、地热能、太阳能以及工业废热利用中传热温差非常小， 例如海洋能电站中，表面海水温度约为2 0 3 0 c ，深海海水的温度为和7 。所以，减小蒸发器和冷凝器的传热温差对现代的能源利用非常重要，而 e h d 技术恰恰能起到这一作用。 针对低温余热发电系统中存在的这些关键技术问题，本课题在冷凝器的 设计中采用了e h d 强化凝结换热技术，它不仅无噪声、能耗低，还可在很 大程度上提高凝结换热系数，减少冷凝器的换热面积，使设备占地面积小， 并且易于控制热流和温度。所以，开展这一课题研究对再生能源( 如海洋温 差能、太阳能、地热能和低温余热能) 的利用有实用价值。 e h d 强化凝结换热是一门新兴技术，在此之前国内外学者已经进行了 大量研究，但大部分实验都是针对静态模型，本论文将其应用于双循环低温 余热发电的动态模型中进行研究。这种由静态到动态的研究为e h d 强化换 熟理论研究提供了一个新思路。 从6 0 年代开始，人们将e h d 强化技术运用到凝结换热研究中，而真正 第1 章绪论 引起人们关注并进行深入研究，还是在近2 0 年“1 。从研究内容来看，无论国 内还是国外，都包含理论研究和实验研究两部分内容。 1 1 国外e h d 强化凝结换热技术的研究现状 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“”。1 9 2 9 年，g e m a n t 首次提出了如下假设：“由予 空间电荷的存在，两平板间的流体会产生运动。a v s e c 和l u n t z 在一系列文 章中描述了在绝缘流体( 空气、油等) 中加入了电荷运动的成分后流体所呈 现的不同的流动方式，同时也描述了由于施加电压而产生瞬时电对流涡流现 象，但没有对流体的这一运动提出相应的原理解释”。 近年来，利用电场强化凝结换热已经取得很大的进展1 。y a m a s h i t a “” 等人已成功地建立了e h d 冷凝器原理模型，并对其进行了实验，实验结果 进一步证实了e h d 技术应用于实际换热器的可行性。 一 归结起来，关于国外对e h d 主要进行了以下几个方面的研究： 1 、不同电极对e h d 强化凝结换热的影响 1 9 6 5 年，v e l k o f f 和m i l l e r “”对横向静电场下垂直平板上的蒸汽凝结进 行了实验。采用了3 种不同结构的电极：a 夕 径为1 0 2 # m 的线状电极，水平 地横放在冷凝板前；b 网格尺寸为1 0 2 # m 的网筛电极；c 铝制平板电极，冷 凝面为高1 5 2 n u n 、宽2 2 9 n u n 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 板和电线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 “钉在垂直管内e h d 凝结实验中，采用外径分别为6 3 、 1 2 7 、1 9 1 r m n 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 “5 1 对竖直管外e h d 凝结进行实验时，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，吸出的凝结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：环状电极吸附的凝结液不能及时排出：而螺旋状电极的效果最 好，一方面e h d 抽吸现象明显，另一方面吸出的凝结液能及时排出。在确 3 - 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 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“蚰于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1 - l 。由者：r 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，电场使气一液界面不稳定，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【1 6 的实验条件及结果 t a b l el - ie x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa n d r e s u l t s o f t h 。e r e f e r e n c e 1 6 1 r e n c a ic c h u 等“”为减小能量损耗，对带有局部涂层的电极进行了 e h d 强化凝结换热的研究，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，当对肋管进行强化凝结换热时，换热系数比无电场时高3 倍。 2 、e h d 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 “町研究了在电场强度变化的条件下强化 换热的效果。为了解凝结换热强化系数与电压的关系，实验结果被处 理成相对电压u u + , 吃的关系，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： 第l 章绪论 a u ， 4 6 是缓和 区，即吃，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 了进一步的观察“”。实验装 置为竖直冷凝铜板，电极为与 之平行的铜板，两板相距 7 m ，电压分别由0 ，2 0 。 3 5 ，4 9 ，6 3 k v 直到7 0 k v 。随 着电压的提高，可以清楚地看 u | u 。 图i - i 冷凝换热强化系数与相对电压的关 系( 热流密度q 恒定) f i g i - ir e l a t i o n s h i ph e a t 仃锄s f b r e n h a n c e m e n tc o e f f i c i e n ta n da p p l i e dv o l t a g e ( a sq i sc o n s t a n t ) 到凝结膜的波动及凝结液射向电极的情况。y a b e 。”作准珠状凝结实验时发 现，电场强度越大，形成的准珠状凝结的液滴直径越大。通常认为电压越 高，e h d 强化效果越好，但是受具体的实验材料以及使用工质性能的限 制，施加的电压有一个范围。 m a j i dm o l k 等人。”就电压极性对e h d 强化管外凝结换热的影响进行了 研究，采用的制冷剂为r 1 3 4 a ，施加电压范围为0 2 5 k v ，饱和蒸汽温度 在1 0 4 0 之问，热通量1 0 4 0k w ( m 2 ) 。实验结果显示，施加负极性高 压时，电场对换热系数的影响要小于正高压的情况。电压负极性时所得到的 最大强化换热系数为1 5 倍，而施加正极性高压时最大强化换热系数约为 3 7 倍，此时的e h d 功率损耗也相对较高。在电压为1 5 k v 时换热系数增加 3 倍，相应的功率损耗低于换热率的1 。 3 、对不同工质的研究 在e h d 强化凝结换热的实验中，大都采用制冷剂进行研究。由 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 d i d k o v s h y ，b o l o g a 、y a b e 、s u n a d a 和y a m a s h i m 等“5 1 “町铆2 3 1 所做的工作可 以看到，对于多种工质( 如r - 1 1 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。”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：占2 0 = 1 9 ，= 5 1 0 d 3 o “m ；氟利昂：1 1 3 ，占= 2 4 5 ，盯= 8 x1 0 4 2 q d 酊1 ) ，电场对其影响较 小；乙醚为极性液体( 占2 0 = 4 ，3 ，盯2 0 = 7 x1 0 o 。1 m o ) 。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。 1 9 9 7 年y a m a s h i t a 等“2 1 测试了c 6 f l “，r l l 4 和r 1 2 3 的e h d 强化凝结 效果。c 6 f 1 4 4 的最大强化效果为无电场时的4 倍，r 1 1 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 l l 将被禁用，而r 1 2 3 作为r l l 有效的替代物，部分 学者也对其进行了研究。s u n a d a 和y a b e 。”对这两种工质作了对比实验。 r 1 2 3 在电场强度为3 m v m 时出现准珠状凝结，该电场强度比r l l 出现准 珠状凝结的电场强度要低，而且r 1 2 3 准珠状凝结的液滴直径比r l l 的小。 这是因为r 1 2 3 的导电率为1 0 o 以r a ，而r 1 1 约为1 0 1 1o o n l ，所以r 1 2 3 的电荷松弛时间比r 1 l 小l 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。 4 、对光管和强化管的研究 1 9 9 6 年，w a w z y n i a k 和y a g o o b i ”对e h d 强化垂直管外凝结迸行了实 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 m m 的间距。强化管带有锯齿状的肋，肋顶呈矩形( 0 3 m m x o 5 m 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 ，l 倍，而光管仅为1 7 5 倍。文献作者认为，强化管效果较好的原因 在于冷凝面的几何特性上，强化管的肋片使电场产生了很大的不均匀性，而 光管表面的电场与其相比较为均匀。 1 9 9 7 年，s i n g h “”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。两种实验管的尺寸如表1 2 所示。 表l - 2 实验管几何尺寸“” t a b l e l - 2 d i m e n s i o n s o f t h ee x p e r i m e n t t u b e ” 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 1 6 和文献 2 5 】可以看出，对于光管和强化管( 翅片管) ，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。 5 、工质中杂质的影响 s e t h 和l e e 啪1 在研究e h d 强化凝结换热时，对工质中含有的非凝结性 气体对换热的影响进行了实验。采用管外凝结，以r 1 1 3 为工质，在工质中 加入不同比例的空气进行实验。实验结果表明，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。 b o l o g a 等“”也就非凝结性气体对e h d 强化凝结换热的影响进行了实验 研究。工质分别为r 1 1 3 氦、r 1 1 3 空气、r 1 1 3 c 0 2 、乙烷空气，非凝结性 气体对e h d 强化凝结换热的影响与文献 2 7 的趋势相近。 y a m a s h i t a 等“灯就工质中含油量对凝结换热的影响进行了实验研究。采 用r 1 1 4 为工质，其中分别含有一定量的润滑油。实验结果表明，当工质中 含有润滑油时，电场对凝结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。 此外，一些学者对e h d 强化换热效应进行了综合实验研究。”叫“。 。 1 2 国内e h d 强化凝结换热技术的研究现状 虽然e h d 强化换热技术在国外早已经开展，并逐渐成为传热学中一个 相当重要的研究领域，然而国内的研究工作还是在近几年才开始的，并且几 乎集中在e h d 强化沸腾换热o ”4 ”及强制对流换热“2 “的研究上，而专门对 于e h d 强化凝结换热的研究非常少。杨嘉祥等“5 m 删设计并制作模型，以 r l l 为工质，进行了e h d 强化凝结实验，结果表明在施加电压1 5 k v 时， 最大强化换热系数达到1 3 5 安恩科等“”利用e h d 强化技术对水平管内对 流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，e h d 技术对水平管内的对流换热有明显的强化效果，最大强化换 热系数为1 5 6 。 1 3e h d 强化凝结换热的数学模型 早期对e h d 强化换热的数学模型进行了一些研究，但主要针对区域电 场及流体所受的电场力的一般性分析“”“”，而针对凝结换热的研究较 少。 c h o i “n 于1 9 6 8 年提出用扰动波长z 来分析e h d 对凝结膜的干扰，并 将z 作为努谢尔数m 和雷诺数如的特征长度，提出了数学模型； n u = 0 5 0 ( r e ) o 。 ( 1 - 1 ) 式中 n u ：h x ( 1 - 2 ) 尺e ：丝! ! ! 鲨 ( 1 3 ) 枇 式中a 、牟一流体的导热系数和动力粘度； 一温度的对数平均值： f 一对应特征波长z 的e h d 力，可表示为； 孝= 小褂。w ， 式中盯一液体表面张力； 占。，岛一蒸汽和液体的介电常数； e ，一蒸汽中的电场强度； 出k i + r + 言勺( i - 5 ) 式中 k 一蒸发所需的焓降； c p gc 一蒸汽和液体的比定压热容； b o l o g a 和d i d k o v s k i y 扭盯予1 9 7 7 年提出了强化系数吃h o 是e 髟的函 数。在电场强度较大时( b = 1 3 m v m ) ，得出： 瓦h , 0 2 8 f l 玎e1 c - s ， l 髟j 此后，b o l o g a “”提出了较为复杂的关系式： h 五l l v 9 2 ) = 3 x l o - 3 r e - o 3 3 蜘。1 7 5 班盟壁( 1 8 ) s o ， 口2 七= l( 1 9 ) 仰 式中矿一电场与表面张力之比； 七一在介质中机械扰动阻尼与电荷松弛时间比o s 一环状间隙； r 一液体的电荷松弛时间； ，一运动粘度。 式( 卜7 ) 与b o l o g a 的实验数据非常吻合，误差不超过1 6 。 b o l o g a “”在1 9 8 7 年进一步提出在非均匀电场下： 丝：1 8 9 p r - o 靳y o 朋( i ：= 2 7 5 2 0 0 )( i - 1 0 ) 生；0 3 3 p r - o j 6v o a 5 ( v - - 2 0 0 6 0 5 )( 1 - 1 1 ) y a b e “1 提出了适用于网格加螺旋线电极的e h d 强化凝结关系式为： n u ：7 8 6 r e 。( 1 - 1 2 ) 从以上文献中可以看出，到目前为止，对e h d 强化凝结换热的数学模 型研究主要集中在如何整理和拟合实验数据，两缺乏从理论上的探讨，特别 是近期在这方面的研究还不多。 1 4 国内外地热发电发展概况 随着环保意识的不断增强，新能源( 风力发电、光电、光热、生物质 能、地热能、太阳能、海洋温差能等) 的开发和利用，如何有效解决工业余 热污染，越来越受到人们的重视。 地球总地热能约为全球煤热能的1 7 亿倍，具有很大的开发前景，主要 分布在环太平洋地热带、大西洋中脊地热带、地中海及喜马拉雅地热带、中 亚地热带、红海、亚丁湾与东非裂谷地热带等“。地热发电是利用地下热水 和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似，也是根 据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。 中国拥有藏量丰富、分布广泛的地热资源。高于2 5 的温泉有2 2 0 0 处，其中2 5 4 0 有8 5 9 处，4 0 6 0 有8 0 7 处，6 0 8 0 有3 9 8 处， 8 0 以上有1 3 6 处m 。目前已发现3 2 0 0 处地热资源区，2 0 0 0 多座地热井已 经挖掘，其中有2 5 5 座具有高温地热发电的潜力。据估计，中国地热资源的 总储量达到5 8 0 0 m w ，其中有3 0 o $ m w 现在已被开发，居世界第1 2 位，其 中我国西藏自治区装机2 8 1 8 m w ，规模最大的羊八井地热电站装机容量为 2 4m w ，年发电量已达1 1 亿k w h ，是我国最大的地热发电厂，目前，该站 为拉萨地区提供5 0 以上的电力“”。我国地热发电起始于1 9 7 0 年，首先试 验的是丰顺一台8 6 k w 的扩容蒸汽发电装置。在1 9 7 1 年，河北省怀来县试 验一台双循环装置，其容量为2 0 0 k w 。以后又在湖南省灰汤、辽宁省雄岳 等地建成了十几个小型地热发电装置，其中有扩容循环和双循环热力系统。 其中，只有广东丰顺和湖南灰汤两台3 0 0 k w 的地热发电装置长期运行。在 双循环发电方面。曾试验过三氯乙烷、异丁烷、正丁烷、r 1 1 等多种低沸点 工质及与其相适应的地热汽轮机的性能。 1 9 0 4 年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站， 功率为5 5 0 瓦，开地热能利用之先河m ，。1 9 1 3 年，世界上第一座2 5 0 k w 的 商业地热电站在意大利投入运行以后，到了上世纪6 0 年代初，美国、新西 兰和墨西哥等国家相继开发地热发电，使总装机容量达到3 6 5 7 m w 。此 后受世界范围内连续发生的几次能源危机以及环境问题的影响，使地热发电 得以迅速发展。到8 0 年代末，全世界运行的地热电站，其发电功率每年已 第l 章绪论 超过5 0 0 万千瓦，据1 9 9 2 年统计，全世界已有2 4 个国