（材料物理与化学专业论文）介电流体材料的电场强化凝结换热实验研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 介电流体材料的电场强化凝结换热实验研究 摘要 电场强化换热，是在换热表面的流体中施加一电场，利用流体中的流 场、温度场与电场的耦合使换热系数增加，从而提高换热效率的一种主动强 化换热方法。本文以解决低温余热发电系统中存在的换热器温差小、换热能 力差等关键问题为基本背景，开展了电场强化换热技术的实验验证。 本文在对国内外相关领域进行了充分调研的基础上，结合工程实际情 况，针对低温余热发电的特点，充分考虑经济性的前提下，选择了以具有低 沸点的介电流体材料r 1 1 为工质，由蒸发器，冷凝器，汽轮机等主要部件 组成的有机朗肯循环热力系统模型。 文中利用自行设计组装的有机朗肯循环热力系统模型进行了电场强化凝 结换热的实验，得出了不同温度下饱和蒸汽压、凝结换热系数等相关参数与 外施电压之间的关系。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，不仅为有源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。 关键词介电流体材料；电场；凝结换热 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ne 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 ro f d i e l e c t r i cf l u i dm a t e r i a l a b s t r a c t e l e c t r i cf i e l de n h a n c e m e mo fh e a tt r a n s f e r 托f o r st oak i n do fh e a tt r a n s f e r t e c h n i q u et h a tah i g hv o l t a g ee l e c t r i cf i e l di se x e r t e do nad i e l e c t r i cf l u i dm e d i u m t oi n c r e a s eh e a t 仃a n s f o rc o e f f i c i e n ta n de f f i c i e n c yg r e a t l yb yc o u p l i n go ft h ef l o w a n dt e m p e r a t u r ef i e l d sw i t i le l e c t r i cf i e l d a i m e da to v e r c o m i n gt h eb 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 c 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 e di nl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o n ，t h e e x p e r i m e n to fe 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 rw e r e r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b a s e do ns u f f i c i e n t i n v e s t i g a t i o no fr e l a t i v e f i e l da th o m ea n da b r o a d ， c o m b i n e dw i t ha c t u a ls t a t eo fe n g i n e e r i n g ，a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w t e m p e r a t u r e w a s t eh e a t p o w e rg e n e r a t i o n ，u n d e ra d e q u a t ec o n s i d e r a t i o n o f e c o n o m i c a le f f i c i e n c y , t h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mm o d e l so nt h eb a s eo f r m l k i n e - c y c l e 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 , c o n d e n s e ra n dt u r b i n e 、j i ，i t h r l l 鹊w o r k i n gf l u i dw e r ec o n s t r u c t e d n l ee x p e r i m e n to ne 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 t 仃a n s f o rb y t h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mm o d e l so nt h eb a s eo fr a n k i n e c y c l ew a sc o n d u c t e d ， a n dt h ed e p e n d e n c eo fs a t u r a t e dv a p o rp r e s s u r e ，c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to na p p l i e dv o l t a g ea n ds oo nw e r eg a i n e d f r o mt h ea n a l y s i so ft h e e 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 cf i e l de n h a n c e m e mt e c h n i q u e c 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 t h er e s u l t sa r ev a l u a b l ef o r e x t e n d i n g t h et h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n o fe l e c t r i cf i e l de n h a n c e m e n to f c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r 1 1 嵋t 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 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 o 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 c 兰玺鎏垩三查：三兰罂主：竺兰兰 f i e l de n h a n c e m e n tt e c h n i q u e i s a n e f f e c t i v em e t h e o do fe n h a n c e m e n t c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r t h et h e o r yo 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 m e n t i o n e di n t 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 t t r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y , b u ta l s o p l a y sp r o m o t er o l e f o r c r o s s i n g d 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 sd i e l e c t r i cf l u i dm a t e r i a l ：e l e c t r i cf i e l d c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r 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介电流体材料的电场强化 凝结换热实验研究，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 分外不包含他人己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。 作者繇本撼吼刁夥月珈 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 介电流体材料的电场强化凝结换热实验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。 不保密证 ( 请在以上相应方框内打) 。 作者签名：朱痰燕 导师签名：乒量右窆 然激 日期。严j 月确 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 低温余热发电中存在的关键技术问题是所用的蒸发器及冷凝器间的温差 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【l i 。所以本课题在冷凝器设计中采用了电场有源强化凝结换热技 术，它无噪声，能耗低，可在很大程度上提高换热系数，减少冷凝器的换热面 积，使设备占地面积小，易于控制热流和温度1 2 l 纠，为在我国推广低温余热发 电技术进行了有意义的探索。另外，课题中所研究的电场强化凝结换热技术， 也是电流体动力学效应在传热传质工程中的一个具体应用，此项研究对传热传 质学和电流体力学的跨学科研究有一定的促进作用。 1 2 国内外电场强化凝结换热技术的研究现状 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 i 4 1 申请了专利。但在此后的四十多年里，该技术并未受到注意和重 视。只有到了2 0 世纪6 0 年代，才有学者开始研究。特别是7 0 年代以后，由 于对各种节能技术的迫切要求，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5 1 ，高效换热技术受到日益重视，使得学者们重新对这一 传热技术进行了比较深入的研究将电场强化技术运用到凝结换热研究中是从 7 0 年代开始的，而真正引起人们注意并进行深入研究还是近二十年的事情。目 前，国内外学者正在对该项技术开展实验及理论上的研究。 1 2 1 国外电场强化凝结换热技术的研究现状 电场强化凝结换热效应的研究开始于2 0 世纪7 0 年代。它的物理机制如 下：嗍川 i 减小凝结膜的厚度。删； i i 由膜状凝结到假滴状凝结1 8 - ”1 ； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i i i 电场对蒸汽中液滴的驱动作用使得液滴运动有序化嗍； i v 促进气液两相对流1 ； v 产生的表面波使凝结膜受到扰动1 1 2 - 1 4 1 。 1 ) 水平面上的电场强化凝结换热 关于水平面上的电场强化凝结换热，已经进行了很多研究，h o l m e s i 。s l 等 在r l l 的凝结换热过程中加了非均匀交流电场，并从实验上研究了该电场所产 生的效应。实验中的冷凝面是一块接地的水平金属板，0 - 6 0 k v 的电压被加在 第一块平板上方的第二块平板上，非均匀电场由两块平板间的不同角度产生。 通过所测量的传热情况与分析结果相比较，当所加电压低于4 0 k v 时，实验数 据和预测的结果符合的很好，但当电压高于4 0 k v 时实验数据与预测的结果相 差甚远，加电场时的传热系数是不加电场时的l o 倍；t r o n u n e l m a n s l 6 j 等从实 验上和理论上研究了一个水平表面的下侧在加均匀电场和不加均匀电场时的凝 结换热系数，电场垂直于平面，工质是r l l ，r 1 1 4 和r 1 1 3 。提出了一个描述 加在膜系数上的电场的影响的关联式 b o l o g a t ”等在理论和实验上研究了在冷凝传热和传质过程中电场的物理机 制的影响，讨论了蒸汽和汽液分散系统的热迁移和相内换热，并基于实验数 据，总结出一个可以用来推测换热系数关联式；j i a - x i a r t 9 1 ”j 等则研究了运用了 双电极换热模型的电场强化换热系统，r 1 1 作为工质，测量了凝结换热系数， 沸腾热流量和饱和蒸汽压，结果表明电场对冷凝和沸腾有显著的换热效果。 1 9 9 7 年，s i n g h t l 9 1 等研究了管壁的电场强化凝结换热，其实验装置由水平 双管换热器( 制冷剂r 1 3 4 a 由管内通过，水流由管外通过) 和两种不同的管 ( 光滑管和微翅片铜管) 组成，内管的尺寸是：外直径1 2 7 m m ，长3 0 5 m m ， 测量了六个不同直径和不同间隙的电极，结果显示了电场对压降的影响，对于 层流，波形流，波形环流，有电极时的压降分别比没有电极时高1 2 0 0 、1 2 3 5 和3 3 6 倍。 随后c h e u n g l 2 0 1 等研究了r 1 3 4 a 在光滑水平管和光滑垂直管的外部的电场 强化冷凝。实验采用r 1 3 4 a 作为工质，探讨了热流、电极间隙和所加电场的影 响，得出结论：由电场引起的液体抽吸和分散现象使得凝结膜有效移动是强化 换热的机理。后来，s i l v a 2 1 1 等做了工质r 1 3 4 a 在水平单强化管外的e h d 强化 冷凝的系列实验，实验的电压范围0 - 2 5 k v ，饱和温度范围1 0 c - 4 0 c ，热流范 围1 0 - 4 0 k w m z k ，结果显示了所设计的电极在强化管上工作良好，可以切实的 提高外部凝结换热系数。 2 0 0 2 年，a i a h m a d i t 2 2 1 等提出了一套新的评估水平光滑管外和水平光滑管 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 内电场冷凝换热系数的关联式： 丝：帆：彳 毛 吁 e i a t 在这里 啊j = 啊g + o s 6 c , l r ( 1 2 ) 是加电场时的换热系数( w m 2 k ) ，是电场存在时的最不稳定波长 ( m ) ，南是热传导率( w m k ) ，v 是无量纲数组，c 。是液体的比热 ( k j k g k ) ，丁是温差( k ) ， 。是汽化热焓( k j k g ) 。l 是电极间的间隙。 a 、m 、f 、一n l 是以经验为基础的常数。 基于关联式( 1 - 1 ) ，b u t r y m o w i c z 2 3 1 等研究了底部装有杆状和网状电极的 水平翅片管的冷凝强化换热，实验采用r 1 2 3 作为工质，正如所期望的，对于 这个新的管电极结构，电场的应用增大了换热系数( 从2 7 1 1 0 ) ，在他们的 又一篇论文中，b u t r y m o w i c z 1 等回顾了主动和被动强化凝结换热技术，主要 关注了加强凝结物的排放的方法。并提供了自己的实验结果和理论模型。 与诸多的实验研究相比，关于两相传热理论的研究则相对较少。2 0 0 3 年 y u 驯等建立了一个实验模型来研究电场下微热管温度控制的结果。结果发现电 场强度、固定点温度和上下固定点温度间隙对温度控制均有显著的影响，后 来，c o t t o n1 2 6 1 1 2 ”等从数值上研究了电场下两相流中屯场分布的效应。 2 ) 垂直表面上的电场强化凝结换热 相对于水平表面上的冷凝换热，垂直表面上的电场冷凝换热已经被很多学 者研究过了，例如，v e l k o f f 和m i l l e r 2 s l 利用静电场提高了r 1 1 3 在垂直铜管里 的冷凝换热，结果显示运用平行于冷却铜板的筛状电极可使换热提高1 5 0 。， 且此结果是可控制并容易再现的。c h o i 和r e y n o l d s 印1 【蚓根据垂直管内冷凝换 热情况下扰动凝结膜的最不稳定波长提出了一个关联式，并研究了电场对垂直 管内r i l 3 冷凝换热的影响。结果表明电场对凝结换热系数的增加有显著效 果，这个增加与液膜界面上的不稳定波长有一定的关系。 b o l o g a 和d i d k o v e s k y 川则从实验上研究了电场下垂直平板和垂直管上膜 状凝结换热的情况，采用r i l 3 、乙醚作为工质，并根据自己的实验数据总结 了关于换热系数的关联式；另外。b o l o g a1 3 2 1 1 3 3 j 等还讨论了在电场影响下，垂直 平板上蒸汽气体混合物中膜状蒸汽凝结换热的情况，研究了不同形状的界面 v。j 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 下两相系统的平衡状态和毛细作用的重要性，结果表明电场中的冷凝强化换热 是由界面畸变和相平衡转移的联合效应引起的。 对于非极性液体和弱极性液体，早在1 9 7 8 年，s m i r n o v 和l u n e v 鲫就从实 验上和理论上研究了这两种液体在直流和交流电场下垂直管上的冷凝强化换 热，并提出了一个基于他们实验数据的关系式，用来计算换热系数。后来， d i d k o v s k yp ”等讨论在不同电场强度，不同频率和不同均匀性的电场下，垂直 短表面上淤积的纯蒸汽的膜状凝结的传热结果，即在电场强化换热效应下，由 于横向波的形成使得膜厚度减薄，增强了换热。同时，d y a k o w s k i 3 6 1 等还从理 论上研究了垂直平板外侧的受到万有引力和电场力的凝结膜，给出了作为膜厚 率和最不稳定波长函数的换热系数的关联式。 1 9 9 6 年，w a w z y n i a k 和s e y e d y a g o o b ip 1 开始研究电场抽吸现象的强化换 热，实验部分采用了一个光滑强化管，r 1 1 3 作为工质，得出了一些有益的结 果；随后c h e u n g 2 0 1 等实验性的研究了垂直管内r 1 3 4 a 的电场强化凝结换热， 实验结果表明，由于电场引起的液体抽吸和液体分散现象使凝结膜有效的移 动，使得换热增强了。于是a 1 a h m a d i1 2 2 1 等提出了一套新的关联式用来估计垂 直光滑管内和垂直光滑管外电场冷凝换热的换热系数，为后来的研究提供了较 好的借鉴。 1 2 2 国内电场强化凝结换热技术的研究现状 国内关于电场强化换热的研究工作是在上个世纪末才开始的，并且几乎集 中在电场强化沸腾换热 4 4 6 1 及强制对流换热i ”。9 1 的研究上，而专门对于电场强 化凝结换热的研究非常少。杨嘉祥等i l s l l 5 0 l 设计并制作模型，以r l l 为工质，进 行了电场强化凝结实验，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i 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 5 6 。 1 3 本文的主要研究内容 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 1 1 0 9 4 ) 。 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，选择了以r 1 1 为工质，由蒸发器、冷凝器、汽轮机等主要部件组成的有机 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 朗肯循环热力系统模型。对电场强化凝结换热进行了一系列实验研究，得到了 电压对冷凝器内饱和蒸汽压、凝结换热系数、强化系数等的关系。最后在理论 上探讨了电场强化凝结换热的机理，认为电场强化凝结换热最直接的原因是电 场对流体的抽吸作用所引起的流体边界层的扰动以及液膜上的假滴状凝结。电 场强化技术一方面使凝结层减薄，减少了其热阻，另一方面，使膜状凝结转化 为假滴状凝结，从而使得凝结换热系数增加电场强化凝结换热的主要因素是 电场施加于汽一液界面上的电场力使得汽一液界面产生波动和流体在电场作用 下的不稳定性使凝结换热的换热面上的液膜出现液滴化的倾向，从而增强了凝 结换热系数。并通过理论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 第2 章电流体动力学模型及电场强化换热 电场强化凝结换热技术是电流体动力学效应在传热传质工程中的一个具体 应用，对传热传质学和电流体力学的跨学科研究有一定的促进作用。 2 1 电流体动力学 “电流体动力学( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，e h d ) 是流体力学的一个分支， 它考虑了电场对流体介质的作用：同时，它也可以被看作是在运动电介质中的 电动力学。在流体中，介质运动对电场的影响，及电场对运动流体的作用，两 者相互作用会出现很多有趣的电流体现象”1 4 6 1 。现代科学技术，要求向节能、 精密、简便、微型化方向发展，电流体动力学在这些方面的优势，正在逐步得 到各界认同。 电流体力学技术是一种新型的强化传热方法，因具有效果显著，所需设备 简单，应用广泛和功率消耗很小等特点而发展很快。用e h d 技术强化管外的 沸腾传热及凝结传热，国外研究的比较多，国内尚属首次开发研究领域。管内 采用技术强化传热存在管子弯曲、电极挠度、高压电的引入以及在不可视条件 下消除尖端放电和保持系统密封等困难问题，对管内的e h d 强化传热研究只 是在最近几年才见到有文章发表。 2 2 电流体动力学模型 电流体力学模型i ”l ，由电磁学方程和流体力学方程两部分组成。当电荷低 速运动( 即特征速度远小于光速) 时，对于不可压缩、黏性、电介质流体，电 流体动力学方程组有下述关系式： v e ：垒 f e = 一v 西 丝+ v ，：o( 2 1 ) 拼 审y = 0 p = 式p 圆v | 竺玺鎏垩三奎主三兰罂三兰竺兰兰 式中为e 电场强度，q 为电荷体密度，占为介电常数，为电压，j 为电 流密度，t 为时间，v 为介质速度，p 为介质密度，p 为压力，为黏性系数， 正为电场力。 在电介质流体中，电流密度满足如下关系： j = q 肛一岛v q + 纱( 2 - 2 ) 式中k 为离子的迁移率，工) d 为分子扩散系数。当由外电场作用导致的电 荷输运量，远大于分子若运动导致的电荷输运量，即工作电压大于热电压时， 分子扩散可以忽略。 而电场对传热的强化作用实质上来源于电场力对流体的作用电场下流体 质点受到的力可用下式表示：l ”1 确每i 1 审气1 v e 2 吼 协， 上式中的第三项能够扩展为两项： 三v p e 2 ( 考 ， = j 1p ( 雾) ，v e 2 + e 2 v p ( 券) r c z 4 ， 对于非极性流体，克劳修斯莫索提( c l a u s i u s m o s s o t t i ) 关系式为： p * 半 亿s ， 将式( 2 5 ) 带入式( 2 - 4 ) 得到： 斗e 2 ( 制z 血詈型呐譬v ( 占r - i x 8 r + 2 ：i 】( z 勘 这里占，为相对介电常数，占，= s s o ，其中为真空介电常数，8 o = 8 8 5 4 x 1 0 。1 2 ( f m ) ，占是流体的介电常数。p 是密度( k g m 3 ) ，q 是电荷密度 ( c m 3 ) ，e 是外施电场强度，l n ) 。我们用m 1 和娜趾i l i s 给出的电荷密度 代替式( 2 3 ) 中的第一项。 q e = e v 占一二- e v ( 2 - 7 ) 式( 2 2 ) 则能写成： 五= z + 正+ 石+ 工 ( 2 8 ) 其中 哈尔滨理工大学 = 举硕士学位论文 一一r 一。一、一 石；瓠占= l 露v s - o - 五v i e ( 2 - 9 ) o ， l 以= 一圭e 2 审e ( 2 - 1 0 ) z z ：塑芝堡奠蛰v 矿 ( 2 i i ) o ef 2 磊。二譬二v 辑一1 x c , + 2 ) ( 2 - 1 2 ) o z 代表电场施加于流体自由电荷的力，称之为库仑力( c o u l o m b f o r c e ) 或称 魏龟濠力( e l e c t r o p h o r e t i cf o r c e ) ，这个力莜藏予自由毫稀帮电磁强度。电荷 的集中( 由式2 7 可以看出) 是由流体的电传导率，介电常数和电场状态的变 化决定懿，任 霉浚俸豹魄铸导率秘灸毫鬻数取决乎流体豹涅痉霹壤量密发，因 此，在传热过程中，如果温度和质量密度有一个明显变化，那么电荷将会聚集 农分质里劳受到电场戆侈雳。在凝结换热过程中，滚骥串豹温度变纯彝蒸汽中 的温度变化都只有几度( 5 i o c ) ，f 和o r e 的变化很小，故液膜和蒸汽中的 电荷产生可以忽略。但是在汽波界面上，由于从液体到蒸汽密度发生了变化， 疗和的变亿很穴，困弛，电荷聚集在羿面上。受到了电场力彳的作用。由 斌( 2 - 9 ) 可以看出，该力的方向垂直于等电势线。 二憝施掘予流体静一令没有命名豹力，魏力楚在舞热窀场韵惰嚣下，由奔 电常数的空间分布引起的该力的方向与流体介电常数的增加方向相反，换句 落谎，该力豹方两由寒分耄零数耪辩( 滚钵) 撵游低奔魄常数楗辩( 蒸汽) ， 凰垂直予汽液界面。因此，该力能够扰动凝结膜并且使液滴变形，如图2 1 所 零。 五怒由于电场v e 2 的不均匀性而产生的施加于流体上的力，称为介电电泳 力。占， l 的流体将被移动到较麓电场强度的区域，式( 2 1 1 ) 显示了夏垂囊于等 电势线。 从以上三个力的分析中我们看出以下两点：第一，较高介电常数的流体将 受翔一个较大豹力并盈表有电场强度最强的区域，如图2 - 2 1 弄示。第二，五酶 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 在滚俸、蒸汽系统中，z 存在于滚钵秘蒸汽孛，它懿大枣取决手声，秘 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 蓐，m 1 ) ，旎热于蒸汽内载力可跌忽略不谤，墨姥，我粥哭考惠渡俸 1 ) 内 的力，如图2 3 所示。 兰笙鎏塞三查兰三兰罂圭茎竺兰三 蒸汽腔气 图2 1z 对液滴形成的影响 f i g 2 1e f f e c to fzu p o nd r o p l e tf o r m a t i o n 图2 - 2 电场作用下的液体抽吸现象 f i g 2 - 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 图2 3 电极系统中的z f i 舀2 3zi na ne l e c t r o d es y s t e m 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 而z 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) 并且垂直于汽液界面。它 与z 相反。万将使液滴的尺寸减小并扰动汽液界面，该力在凝结换热中的效 应如图2 - 4 所示。 图2 4 正作用下的汽液界面扰动和液滴形成 f i g 2 - 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 正 2 3 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”强化方法州嗍。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“姐】，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自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 ：至鎏至三查兰三兰筌圭耋堡丝兰 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m 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。 2 4 凝结换热的强化方法 汽车窗玻璃结雾这种冷凝现象是蒸汽在冷的固体表面凝结成液体放出热量 过程。此外，在固体面生成的液体在重力作用下沿着传热面下流形成液膜，此 时产生的液膜厚度为0 2 m m 左右。小温差热循环中经常用作介质的氟利昂的导 热系数只有金属的1 1 0 0 0 左右，因此在氟利昂液膜内的温降是很大的，冷凝 液膜形成了很大的热阻，因此要减薄冷凝液膜厚度，提高传热性能。强化传热 法是在电场作用下，把冷凝液从传热面上吸开，使之从传热面以外的地方流 走，尽可能减薄产生热阻的液膜厚度，从而使传热系数得以大幅度的增大。 2 5 本章小节 本章介绍了电流体动力学模型，和电场强化换热技术以及凝结换热的强化 方法。为以后的电场强化凝结换热机理分析打下了基础。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章电场强化凝结换热实验系统 3 1 实验系统的设计思想 在低温余热发电中存在的一个主要技术问题是所用的蒸发器及冷凝器间的 温差小，换热系数低，由于电场强化凝结换热可以使冷凝器的换热系数得到提 高，因此，在本实验系统中采用了电场强化凝结换热技术。 电场强化换热是一门新兴技术，在此之前国内外学者已经进行了许多研 究，但大部分试验是针对静态模型进行的，而对于动态模型的电场强化换热的 研究几乎是空白。本文从机理性实验研究入手，自主设计组建了一套有机朗肯 循环模型，在冷凝器内加入高压电极，实际考察外加电场对动态模型的凝结换 热的强化效果。 3 2 实验系统的组成 本实验系统如图3 1 所示，包括主体部分和辅助设备。主体部分是基于单 一有机朗肯循环的动力循环，由冷凝器、蒸发器、汽轮机和储液罐组成。辅助 设备由高电压施加系统、加热系统、冷却系统和数据测量系统等组成。该系统 的工作过程为：将储液罐内的液态工质r l l 由工质泵打进蒸发器，在蒸发器内 液态工质被模拟余热流的热水加热成过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机，推动叶 片旋转做功，乏气随后进入冷凝器，在换热铜管表面冷凝成液态r i i ，冷凝后 的液态r i i 回落到储液罐，从而构成一个朗肯循环过程。 3 2 1 主体部分 实验系统主体部分包括冷凝器、蒸发器、汽轮机和储液罐，均为自行设 计、制作和安装。 1 ) 冷凝器：冷凝器的主要作用是使汽轮机排出的乏气凝结成液体。本实 验所采用的冷凝器型式为垂直型管外冷凝器。冷凝器主要由外壳、上水箱、下 水箱、换热铜管、上盖和高压电极等部件组成。 2 ) 蒸发器：蒸发器的作用是将热量从余热流传递给有机工质r l l ，它是 整个系统能量传递的中转站，在朗肯循环实验系统中，起着举足轻重的作用。 哈尔滨理工大学工学碗士学位论文 图3 1 朗肯循环实验系统 f i g 3 - 1r a k i n e - c y c l ee x p e r i m e n t a ls y s t e m 本实验采用直立管壳式蒸发器。蒸发器主要包括集气室、外壳、换热主体、底 座等。液态氟里昂从底座切向进入蒸发器，在铜管内部蒸发成气体，然后在集 气室中聚集并通过集气室的出口流向管道。余热流从外壳上侧切向进入，通过 铜管的管壁，将热量传递给工质后，从外壳下侧流出。余热流在蒸发器底部温 度较低，在上部温度较高，这样可以使工质在通过整根铜管时，经历预热、汽 化沸腾和过热的过程。 3 ) 汽轮机：汽轮机是将蒸汽的热能转换为机械功的旋转机械。在本实验 中采用单级汽轮机时，选用辐流式。它由喷嘴、动叶片及其它附件组成。氟里 昂蒸汽从喷嘴进入，推动叶片旋转做功，乏气经由板孔进入冷凝器。 4 ) 储液罐：在实验开始之前，需将工质r 1 1 冲装在储液罐内，然后由工 质泵打入蒸发器。充装工质之前，首先要对实验系统抽真空以得到尽可能的真 空度。为保证工质以液态的形式加入系统，在排尽系统内的空气后，将原料罐 置于储液罐的高位，用软管连接原料罐出口和储液罐的工质冲装孔，使原料罐 中的液体工质在压力差的作用下加入储液罐，观察储液罐液位计，液面达到满 意高度时，关闭工质充装孔的阀门，工质充装结束。另外，r 1 1 蒸汽在冷凝器 内冷凝成液体，经冷凝液出口排出，也回落进储液罐。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 2 高电压施加系统 本实验采用的高电压施加系统如图3 2 所示。高压电源为工频变压器，采 用高压硅堆整流，经电容滤波后可获得正、负极性直流高压。调压器的使用可 使输出电压幅值实现连续可调。施加电压的大小可通过测量电阻分压器得到。 3 2 3 加热系统 硅堆 图3 - 2 高电压施加系统 f i g 3 - 2h i g hv o l t a g ea p p l i e ds y s t e m 本实验采用的是电加热系统，如图3 3 所示。将2 组1 0 0 0 w 的管状电加 热器并联后放置在盛满水的恒温水箱内，通2 2 0 v 交流电，用其作为主加热器 对水箱内的水进行持续加热，由加热的热水来模拟余热流。同时水箱内安放一 热电偶和一个1 0 0 0 w 的辅助电加热管，热电偶接) ( 1 v r i 1 0 2 型温度控制仪，由 仪表面板上指示灯的状态来判断仪表的输出状态。设定好温度控制仪的控制温 度，如果水箱内水的温度超过温度控制仪的设定温度，则红灯亮，与温度控制 仪相连的固态继电器释放，自动切断辅助电加热管的电源，辅助电加热管随即 停止加热；当水温低于设定温度时，绿灯亮，固态继电器吸合，辅助电加热管 又继续工作，以维持水箱内水温的恒定。 热水由热水循环泵经流量计从蒸发器外壳上侧的入口打入蒸发器，然后由 外壳下侧出水口流回水箱。 3 2 4 冷却系统 本实验的冷却系统采用自来水冷却。在冬季，自来水的水温约在5 左 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 进水 一 出水 主电加 热管 图3 - 3 加热系统温度控制示意图 f i g 3 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t e m p e r a t u r ec o n t r o lo f h e a t i n gs y s t e m 右，夏季水温也只有1 0 左右，因此用自来水就可以对r 1 1 蒸汽进行冷却。 冷却水进入冷凝器的上水箱，经分水隔板和换热管进入下水箱，在上下水箱分 水隔板的作用下，冷却水在换热管中往返四次后流出冷凝器。 3 2 5 测量系统 本实验的数据测量包括温度、饱和蒸汽压、冷却水及加热水流量、外施电 压等的测量。 1 ) 温度测量 本试验所要采集的温度数据包括以下各项： a ) 冷凝器内饱和蒸汽的温度：采用3 个铠装式、量程为1 0 0 的水银温 度计，分别安放在和冷凝器外壳的中心线交角为3 0 。的位置上，它们的平均温 度即为冷凝器内部的饱和蒸汽温度。 b ) 冷凝面温度：在冷凝器内换热铜管的外表面上固定温度传感器，将温 度传感器引线通过冷凝器上盖的引线出1 ：3 引出，为避免r l l 通过温度传感器引， 线泄漏，将引线用环氧固化在引线出口。 c ) 汽轮机进口及出口端饱和蒸汽的温度：在汽轮机进口及出口处各放置 一铠装式、量程为l o o 的水银温度计，对其温度进行测量。 d ) 冷凝器出口端冷凝液温度：在冷凝器出口端安放一铠装式、量程为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 0 0 的水银温度计，测量冷凝液的温度。 e ) 加热水进口及出口端温度：加热水进口温度为水箱内的水温，由温控 仪测得，出口温度的测量是将一温度传感器安放在出水管中部。 f ) 冷却水进口及出口端温度：在冷却水进口和出口处各放置一温控仪以 测量其温度变化。 2 ) 压力测量 本实验所要测量的压力包括汽轮机进口和出口的压力、冷凝器内饱和蒸汽 压力和储液罐内的压力，均采用量程o 6 m p a 的不锈钢压力表进行测量。 3 ) 其他项测量 冷却水和加热水流量的测量是在冷却水和加热水的进水管中部安装一流量 计，直接读取冷却水和加热水的流量。 3 2 6 密封系统 由于系统工作时内部压力较高，而采用的工质r l l 为低沸点工质，考虑到 它的毒性以及材料的兼容性，试验系统对密封的要求很高。一方面在正压时， 不允许工质向外泄露，否则不利于工质的回收，造成环境污染：另一方面，在 负压时，不允许空气向内泄露，避免非凝结性气体对工质物性的影响，保证试 验数据的正确性。因此，在组装试验系统时，蒸发器、冷凝器、储液罐及汽轮 机的上盖的安装均采用丁晴橡胶作垫圈进行密封。在各螺纹接i = 1 处缠上四氟乙 烯生料带，螺纹拧紧处涂上5 0 4 a 密封胶，然后检查整个系统各连接处的密封 情况。采用的检漏方法是用气泵向系统内充气，当系统内压力达到o 3 m p a 时 停止充气，然后用肥皂水涂抹整个系统管路的各连接处，观察是否有气泡产 生，如果有，说明此处有漏点，需再次密封。 3 3 实验系统中低沸点工质的选择 在余热源的温度较高时，采用水作为工质是最方便的。但当所利用的中、 低温热源的温度水平较低时，水就不再适宜作为工质。因为水在低压时汽化潜 热很大，如图3 4 的温度热量图( t - q 图) ，设热源的温度为点a ，加热水产生 的蒸汽温度为点f 传热的最小温差为r 。当压力低时，水从点c 经d 、e 点 到达点f ，热源从a 点冷却到b 点。由于汽化阶段d e 很长，平均吸收热温度 低，传热的火用损失大，蒸汽的作功能力( 火用值) 很小。如果采用提高水蒸气压 力的方法，加热过程如图中c d 一口一f 所示，由于最小的传热温差假定仍保 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图3 4 热交换的t - q 图分布 f i g 3 - 4d e p e n d e n o f t0 1 1q i nh e a tu a n s f e r 持为丁，势必造成热流体的出口温度要升高到点b 。使回收的热量减小。因 此，这里有一个晟佳蒸发温度的选择问题。但是，如果能找到一种比水更理想 的工质，它的沸点比水低，汽化阶段很短，汽化过程如图中的c g h f 线 所示，则既可回收较多的热量( 热源冷却至b 点) ，又使蒸汽有较高的平均吸 热温度，传热火甩损失减少，同时得到的蒸汽压力较高。可回收较多的动力。 特别是对1 5 0 以下的低温余热的动力回收，这时用水作工质实际已很困 难，一般均采用低沸点有机物作为蒸汽动力循环的工质。 为了使循环有较高的效率，以及实际使用的方便、经济，要求工质应具备 以下性能： 1 ) 适当的沸点，在工作温度范围，蒸汽压力既不过高，也不过低。因