2.2 EHD强化传热的优势
同其他强化传热技术相比较,EHD强化传热具有以下优点:
1.方便性。通过对电场强度的控制来实现对强化效果的控制。即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,只需控制电压就可达到迅速控制热流和温度的目的。
2.设备简单。仅需一台电压转换装置及附加的电极。
3.用于某些特殊场合。例如,在航天设备中。由于没有重力,沸腾传热中产生的气泡不易脱离传热表面,从而引起传热恶化甚至导致事故。
4.应用范围广。从传热方式上看,适合于单相流动和多相流动:从工质的角度上看,它不但可应用于气体、油等绝缘流体,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大量使用的CFC替代物。
5.耗能少。一般来说,流场内电场的总电压相当高(一般在20kv以上),但电流却很小,相对于传热量,其电功率的消耗可忽略不计。对于一般换热面积的换热器消耗功率也只有几瓦到几十瓦。例如在文献中采用电场强化冰箱冷凝器的换热,测试结果表明:冷凝器外表面对流换热系数提高了1.2~4.9倍,冰箱每昼夜节电18%~36%,而电场附属设备成本为冰箱造价的4%~6%,消耗电功率也只有0.5~2.7W。由此可见,这种强化传热方法为冰箱所带来的节能效果是明显的,同时也提高了冰箱的运行经济性。
6.强化传热效果显著。根据试验结果,对单相对流传热,当利用外加电场射流方法时,其传热系数最大可以增加100倍;对凝结传热,其传热系数可增加6倍左右;对沸腾传热,其传热系数最大可增加约50倍。且对于小温差传热强化作用尤为明显。
从工程实际应用的角度来讲,EHD强化传热技术具有其独特的优越性和良好的应用前景,一方面电场强化传热技术可减轻换热器重量,减小换热器尺寸,节省材料,降低换热器和附属设备的投资成本;另一方面可降低工质与传热面间的温差,从而提高热力设备的整体效率。从对新能源的开发利用角度来讲,如:海洋能、地热能和太阳能的利用,由于传热温差很小,因而效率较低,而EHD强化传热技术恰恰对小温差传热的强化作用非常明显。因此,该技术可成为暧通空调、化工、冶金、能源、航天等领域的一门具有发展前途的强化传热新技术,对该技术的研究和开发将对节约能源、缓解能源紧张、保证国民经济持续发展将具有重要的现实意义和社会意义。
2.3电场在R134a工质作用下气泡的行为变化
在EHD强化沸腾换热中,汽泡的行为发生改变,这是影响其沸腾换热效果的主要因素。因此,一些学者对电场作用下汽泡的形状、长大、破碎和上升等行为进行了研究,其研究方法主要分为鼓泡法和直接加热产生汽泡法。鼓泡法是研究无相变(即均热)时汽泡行为的一种方法,即是在试验装置的底部安装一个气针或开一个气孔进行鼓泡。直接加热产生汽泡是在试验设备的壁面加热,使壁面的液体达到其饱和温度发生相变而产生蒸汽泡,这一过程涉及到界面的传热和传质行为,而电场的介入,使蒸汽泡的行为研究变得更加复杂。因此,目前针对电场下汽泡行为的研究多采用鼓泡法。
1. 汽泡的大小和形状
无电场时,对于在饱和液体中上升的汽泡,其体积都要增加30%左右。此时,大汽泡会从球形变成一个相对于垂直扩展的扁平的椭球;而小汽泡在上升时仍然保持球形不变。而电场作用下,附着于壁面上的稳态的汽泡会沿电场方向拉长,变为扁长形状,且变形量随场强的增加而增加。
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