外加电场强化苯自然对流和沸腾换热的试验研究

第26卷 第2期

2005年4月

太 阳 能 学 报

ACTA ENERG I AE SOLAR I S S I NICA

V o l 26,N o 2

Apr ,

2005

收稿日期:2003-06-23

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(No G2000026302);

上海市科技发展基金项目(No 02DJ 14049)

文章编号:0254-0096(2005)02-0277-04

外加电场强化苯自然对流和沸腾换热的试验研究

王发刚2,李瑞阳1,郁鸿凌1,刘永启2,柳玉英2,林宗虎

1

(1 上海理工大学动力工程学院,上海200093;

2 山东理工大学,淄博255049)

摘 要:对沉浸在非极性有机液体工质苯中的平板表面自然对流和沸腾换热的外加电场强化进行了试验,得出了自然对流和沸腾换热的换热系数、强化效果与电场电压、热流密度的关系。试验数据表明外加电场对平板表面苯的自然对流换热和沸腾换热都有一定的强化效果,但外加电场对平板表面苯自然对流换热的强化效果明显好于对沸腾换热的强化效果;且平板表面苯的自然对流换热的强化效果与试验所给定的热流密度无关,而外加电场对平板表面苯的沸腾换热的强化效果随热流密度的增大而减弱。关键词:电场;强化传热;苯;自然对流换热;沸腾换热中图分类号:TK 124 文献标识码:A

0 前 言

电场强化传热是将电场及其理论引入传热学领域,利用电场力与流场、温度场的相互作用而达到强化传热的一种有效方法,具有效果显著、功耗低、易于控制表面热流、尤其适用于小温差传热等一系列优点。近年来,由于在太阳能、海洋能、地热能的开发利用中急需提高小温差传热效率的强化传热技术,以及余热利用、高效暖通空调系统中对小温差传热的要求,电场强化传热技术的研究愈来愈受到重视。1978年Jones [1]

、1995年A llen 和K aray iann i s [2]

分别对电场强化传热的研究进展做了详细、全面的综述。目前,对电场强化传热的研究尚处于机理探索阶段,研究方向多集中在对传热各区域的单独研究,试验用工质多采用制冷工质。但是由于电场、温度场和流场相互作用的复杂性,使得在电场强化传热的机理方面尚未形成成熟的理论,该项技术也尚未真正推广到工程应用。

本研究针对机理研究和工程应用,首次对沉浸于非极性有机液体工质苯中的平板表面上自然对流

和沸腾换热的外加电场强化进行了试验研究,并对试验结果进行了初步的定性分析。

1 试验装置

试验装置如图1所示,主要由测试室、冷凝

室、冷却系统、高压电系统、控制系统和测量系统组成,该试验装置具有多功能性,既可用于自然对流传热试验,也可用于沸腾和凝结传热试验。测试室和冷凝室的尺寸为400mm 250mm 250mm,为便于观察试验现象,箱体的前后两侧开有325mm 185mm 的钢化玻璃视窗。测试室安装有平板电极系统,冷凝室安装一换热器。自然对流传热试验时,冷却系统关闭。沸腾传热试验时,开启冷却系统,工质在测试室中产生的汽相经测试室和冷凝室之间的连接管进入冷凝室,在冷凝室中冷凝成液体返回至测试室。冷凝室中换热器管内的冷却剂由一水泵从冷却剂贮槽中循环供给,冷却剂温度由一压缩机控制。测试室内工质的温度(饱和压力)通过冷却剂回路上的旁通阀和冷却剂的温度来进行调节。安装在铜板内的热电偶用于测量铜板表面温度,测试室一侧距铜板表面100mm 处开孔安装热电偶用于测量液相主体温度,冷凝室上表面开孔安装一热电偶用于测量冷凝室汽相温度。

电极系统如图2所示,铜板采用黄铜一次浇铸成型,尺寸为233mm 184mm 19 2mm 。铜板内部设有电阻丝,其最大功率为1 367k W,用于为试验提供热源;在距上表面5mm 处开有3个间距相等的直径为3mm 的小孔,用于安装热电偶。铜板的侧面和底部用绝缘、绝热材料 环氧树脂包

裹,保证热源产生的热量仅从上表面传递给工质。距铜板上表面39mm 处,安装一规格为8目的黄铜网做为电极,尺寸与铜板相同,四周用环氧树脂板固定,用4个环氧树脂柱固定在铜板上方。铜网引出一接线接入高压电源的正极,铜板接地形成0电位,同时与电极形成高压回路。高压电源为直流电,选用高压直流电场发生设备,输出电压为0~50kV,输出最大电流为2mA

。

通过对试验系统进行误差分析,得到利用该试验系统所测定的表面换热系数h 的不确定度为1 68%,因此利用该试验系统所测得的数据是可信的。

2 试验结果

为表示外加电场对传热的强化效果,定义电场强化系数f ,即:

f =

h E h 0

(1)

式中h E 、h 0 分别为有外加电场和无外加电场时的平板表面换热系数。试验首先做出无外加电场时的表面换热系数,然后从2kV 电场电压开始逐渐增加到20k V,做出不同电压下的表面换热系数,计算强化系数f 。

2 1 外加电场对自然对流换热的强化效果

图3和图4分别给出了不同热流密度下自然对

流换热系数、强化系数与电场电压的关系。

从图3可见,当外加电场电压低于10kV 时,自然对流换热系数随电压的增加而逐渐增大。在本试验条件下,换热系数最高可增加到0k V 电压时的1 6~1 7倍。当电压高于10kV 时,换热系数不

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再随外加电场电压的增大而增加,这主要是因为电

压在10kV左右时,苯的分子极化已达到饱和,即使外电场电压继续增大,苯分子的极化程度也不再增大。从图4可见,外加电场对苯自然对流换热的强化效果与热流密度无关,这一现象在外电场强化传热试验中是第一次观测到。这可能与苯的分子结构有关。苯是一非极性分子,其结构中含有一各向同性的大 键,在外电场作用下分子在沿着电场方向上的极化是相同的,不存在分子的转向和重新排布,同一电压不同的热流度下工质内部产生的宏观束缚电荷量相同,因而同一电压下外电场对其自然对流换热的强化效果相同,与热流密度无关。

2 2 外加电场对沸腾换热的强化效果

图5和图6给出了苯在平板表面沸腾(系统压力-0 078~0 08M Pa,饱和温度35 3~37 5 )时电场对其换热的强化情况。

从图5可见,热流密度为5、6、7k W/m2,外加电场电压低于16kV时,苯沸腾换热的换热系数随电压的升高而逐渐增大,当外加电场电压高于16kV时,换热系数将不再随电压的升高而增大。在本试验条件下,换热系数最高可增加到0kV电压时的1 6倍。热流密度为9、10、11、12k W/m2时,苯沸腾换热的换热系数随电压的升高而逐渐增大,但在试验所施加的电场电压范围内不再出现最大值。从图6可见,外加电场对沸腾换热的强化效果随热流密度的增大而逐渐减小。低热流密度时的强化效果明显大于高热流密度,热流密度为12k W/m2时,外加电场对平板表面苯的沸腾换热几乎无强化效果。从以上结果可以看出,外加电场强化传热技术适合热流密度较小的沸腾传热的强化,这一点对工程实际应用具有重要意义。

3 结 论

1)外加电场对平板表面苯的自然对流和沸腾换热都有一定的强化效果,但在同一热流密度下,电压小于16kV时,自然对流的强化效果明显好于对沸腾换热的强化效果;

2)外加电场对平板表面苯的自然对流换热的强化效果与试验所给定的热流密度无关;

3)外加电场对平板表面苯的沸腾换热的强化效果随热流密度的增大而减弱;

4)在电场电压低于10kV时,外加电场对平

图5 沸腾换热系数与外电场电压的关系

F ig 5 R elati on be t w een o f poo l bo ili ng heat transfer

coeffic i ents and e lectr i c fi e l d vo ltage

图6 外电场对沸腾换热的强化效果与施加电压的关系

F i g 6 R e l ation bet ween enhancem ent factor of

poo l bo ili ng and electr i c fi e l d vo ltag e

板表面苯的自然对流换热的强化效果随电压的升高而增大,当电场电压高于10k V时,强化效果将不再随电压的升高而增大;

5)在较低热流密度下,在电场电压低于16kV 时,外加电场对平板表面苯的沸腾换热的强化效果随电压的升高而增大,当电场电压高于16kV时,强化效果几乎不再发生变化;较高热流密度下,在试验电压范围内,外加电场对平板表面苯的沸腾换热的强化效果随电压的升高而增大。

[参考文献]

[1] Jones T B E lectrohydrodyna m ica lly enhanced heat

transfer i n li qu i ds a rev ie w[M] A dv N e w Y o rk H eat

transfer,acade m ic press,1978,14:107 148

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2期 王发刚等:外加电场强化苯自然对流和沸腾换热的试验研究