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本文针对垂直管内同轴圆柱电极EHD强化凝结换热进行了理论和试验研究。在理论方面,研究了电场作用下的特征电极、能耗评价方法、汽液界面不稳定性和凝结换热的数学模型。在试验方面,进行了可视化试验研究,测量了液膜相对减薄率,依据试验结果对5根电极的直径进行了优化,给出了4根电极换热系数的试验关联式。 理论研究主要内容: 1.阐明了电场作用下液滴的成核机理和垂直管内假滴状凝结机理。 2.分析研究了同轴圆柱电极系统相变换热的三个特征电极,即最小场强电极、最小电场力电极以及最小能耗电极,并首次推导出了后两个电极。 1)在d2不变情况下,当d1=0.3679d2时(d1、d2分别为内、外电极直径),内电极外表面场强最小,工质的击穿电压最大;当d1=0.5134d2时,汽泡或液滴在内电极外表面所受的电场力最小;当d1=0.4508d2时,电场力对汽泡或液滴所做的功最小,即能耗最小。 2)对于EHD强化管外沸腾换热,在d2不变情况下,当d1<0.5134d2时,d1尽可能的小,或当d1>0.5134d2时,d1尽可能的大,都将有利于汽泡脱离换热表面;对于EHD强化管内凝结换热,在d2不变情况下,d1尽可能的大,将有利于液滴脱离换热表面;另外,d1过小或过大,都会使工质的击穿电压迅速减小,系统的能耗迅速增大。 3)在d1不变情况下,当d2增大时,汽泡或液滴所受的电场力将减小,不利于汽泡或液滴脱离换热表面,还会使工质的击穿电压增大,系统的能耗减小。 4)当d2/d1比值相同时,细换热管比粗换热管更有利于汽泡或液滴脱离换热表面。 5)工质的介电常数越大,汽泡或液滴所受的电场力就越大,有利于汽泡或液滴脱离换热表面,但能耗亦随之增大。 3.提出了可用能获益系数的概念。依据热力学第二定律,提出了电场强化换热能耗评价的新方法。该方法不仅适用于电场强化相变换热,也适用于电场强化单相换热。当可用能获益系数小于1时,EHD强化换热是不经济的。强化系数大时,可用能获益系数不一定大。在实际应用时,不仅应考虑强化系数的大小,还应兼顾可用能获益系数的大小。 4.以零电场汽液界面不稳定性理论为基础,提出了电场强化垂直管内凝结换热汽、液界面不稳定性条件。电场对汽、液界面的作用,可以导致冷凝液膜的减薄。电极结构确定后,电压越大,液膜的相对减薄率将越大。 5.研究了电场强化凝结换热的数学模型。 1)提出了虚拟重力加速度的概念,描述了虚拟重力加速度的物理意义。 2)提出了电场强化垂直管内(垂直平板)凝结换热新的实验关联方法,提出了反映汽、液界面波动及液膜减薄的组合变量。 3)用新的实验关联方法,对电场强化垂直平板凝结换热的试验数据进行了关联,实验值与关联计算值相对误差小于±10%。 试验研究主要内容: 对5根直径不同的电极进行了垂直管内EHD强化凝结换热试验研究。试验工质采用R123,饱和温度为30℃,热流密度范围为1.8~12.0kW/m2,冷凝管内径为26mm。1#、2#、3#、4#和5#电极直径分别为5.5mm、10mm、12mm、13mm和16mm。 1.运用可视化试验技术,观察到了新的试验现象。 1)液膜向下流动时,喷出“径向液线”。 2)出现断续液条流。 3)管内产生假滴状凝结。 2.在水套冷却水的入口温度为23℃时,1#、2#、3#、4#和5#电极的放电电压分别为32kV、36kV、33kV、30kV和22kV。试验表明,放电电压随电极半径的变化趋势,与理论计算的击穿电压随电极半径的变化趋势吻合良好。 3.在本文的试验范围内,1#、2#、3#和4#电极的强化系数最大值分别为1.62、1.7、2.05和1.52,液膜相对减薄率最大值分别为52%、68%、76%和76%,可用能获益系数最大值分别为2.71、3.13、6.35和1.63。5#电极对液膜减薄有利,但是对强化换热不利。试验结果表明,5根电极中,3#电极最好。 4.电极直径越大,液膜减薄的起始电压越小。 5.试验证明强化系数大并不意味着可用能获益系数大。 6.对1#、2#、3#和4#电极EHD强化凝结换热的试验结果进行了关联,换热系数试验值与关联式计算值的偏差分别在±9%、±20%、±12%和±20%以内。电场作用下凝结换热系数试验关联的新方法,适用于垂直管内凝结换热。