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上海理工大学学报 第24卷第2期 J.University of Shanghai f0r Science and Technology Vo1.24 No.2 2002 文章编号:1007—6735(2002)02—0131—06 电极对EHD强化沸腾换热的影响 刘永启, 李瑞阳, 王发刚,郁鸿凌 (上海理工大学动力工程学院,上海200093) 摘要:通过综合国内外EHD强化沸腾换热的最新研究成果,分析了电极的形状、位置、材料 和极性对EHD强化沸腾换热的影响,并指出了该领域的研究方向. 关键词:电水动力学;强化换热;沸腾换热;电极 中图分类号:TK124 文献标识码:A Effect of electrodes on EHD enhancement of boiling heat transfer LIU Yong-qi,LI Rui-yang,WANG Fa-gang,YU Hong-ling (College ofPower Engineering,University ofShanghaifor Science and Technology,Shanghai 200093,China) Abstract:The effect of electrodes with variation in their form,number,position,material and polarity on EHD enhancement of boiling heat transfer is analyzed on the basis of reviewing the up—to—date research results on the field over the world。The electrode geometry that can result in bigh electric field strength and asymmetry on the surfaces of heat transfer yields comparable enhancement factors.The effect of electrodes materials on EHD enhancement of boiling heat ransfer depends on working medias.Expertimental results cited in the paper demonstrated that the effect of electrode polarities on EHD enhancement of boiling heat ransfert is not signiifcant. The direction of further studies is suggested. Key words:electrohydrodynamic;heat transfer enhancement;boiling heat transfer;electrode EHD(Electrohydrodynamics电水动力学,也 在EHD强化沸腾换热装置中,电极一般布置 称作电场流体力学)强化传热是在流体中施加一 外电场,利用电场力与流场和温度场的相互作用 而达到强化传热目的的一种主动强化传热方法. 在换热表面附近,在电极上施加正高压电或负高 压电,并利用换热表面作为接地电极形成高压回 路.强化传热效果取决于工质的电物性、电场的 分布和热流密度等因素.电极的结构及布置不仅 影响着换热器尺寸的大小、制造成本、工作电压 的高低和工质的使用寿命,而且决定着电场强度 在换热表面附近电介质液体中的分布,影响着气 泡在换热表面上的生成、成长、跃离和运动,从而 对强化沸腾换热的效果产生重要影响.现有的研 近年来,由于余热利用、高效暖通空调系统、海洋 能和地热能开发中对小温差传热的要求,加上 EHD强化传热所具有的效果显著、功耗低、易 于控制表面热流密度等一系列优点,逐渐受到重 视….目前的研究主要集中在英、美、Et等发达国 家,国内的研究才刚刚起步. 收稿日期:2001.09 17 基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项g(G2000026302) 作者简介:刘永启(1965一),男,副教授. 维普资讯

l32 上海理工大学学报 2002年第24卷 究成果使用各种各样的电极对EHD强化沸腾换 热进行了理论研究和试验研究,其中部分成果对 比了几种不同的电极形状或不同的电极布置方式 在给定电压下,不同的电极形状、数量、布置 形式及与换热表面之间的距离将会产生不同的电 场分布,从而对换热系数产生不同的影响. 1.1.1 电极形状的影响 国内外研究者所使用的电极形状较多,归纳 起来大致可以分为以下几类: 对强化沸腾换热效果的影响,但还未见到全面系 统地分析电极对EHD强化沸腾换热影响的报道. 本文综合了当前国内外的研究成果,在对其分类 归纳的基础上,试图系统地分析电极对EHD强化 沸腾换热影响的机理,找出一般的规律性,为以后 的研究及应用打下基础. a.线状电极,包括直线状和螺旋状电极【 墙 ; b.针状电极【 ; e.杆状电极【 , ; 1 电极结构对EHD强化沸腾换热 的影响 1.1 电极结构对管外EHD强化沸腾换热的影响 d.穿孔管电极或开槽管电极【 ; e.网状电极或网格电极【。, ・ 。 ; f-杆状/板状组合或杆状/穿孔板组合电极【 们. 典型的电极形状如图l所示. 针状电极 露:。国 圆形网格电极 矩形网格电极 螺旋线状电极 熊 杆状/板状组合电极 杆状/穿孔板组合电极 图1典型的电极形状 Fig.1 Typical electrode geometries 线状电极的优点是结构简单,可以使换热器 结构相对紧凑.但是由于其半径较小,最高的电 场强度及其梯度出现在电极表面附近区域,而在 换热表面附近区域的平均电场强度及电场强度梯 度比较低,形成的电场分布不理想;由于电极表面 局部电场应力较高,会导致电介质击穿,使所能施 加的最高电压受到限制.这两方面的原因使线状 电极对传热的强化效果不特别理想【 . Ohadi等【 使用6根直径为O.8 ITUTI的直线状 线电极,对大空间管外光滑管核态沸腾的EHD强 化进行了试验研究,考察了热流密度、电场电压 及工质中润滑油含量对换热系数的影响.在热流 密度为6 500 W/m 时,施加20 kV的电压,对于工 质R123,最大强化系数为4.5;对于工质Rll,最 大强化系数为1.7. Paper 。 用R123为工质对直线状、螺旋状 线电极和网状电极进行了对比研究.在相同的条 件下,由于网状电极的电场强度和电场非均匀性 都比直线状和螺旋状电极的强,故网状电极的强 化效果最好,强化系数为5,而直线状和螺旋状电 极分别为4.5和3.9. 文献【5]对直线状、针状及开槽管电极进行了 对比试验,工质为R11.试验数据表明,对于针状 电极,由于电极尖端产生强烈的不均匀电场,其强 化效果优于直线电极.在这3种电极中,开槽管 电极的强化效果最好,这一方面与特殊的管网结 构而产生的复杂电场有关,另一方面可能是由于 在有限的空间内气泡运动引起扰动较强的原因. 针状电极的缺点是占空间大,不易布置;而开槽管 电极结构相对复杂,并且可能会引起较大的流动 维普资讯

第2期 刘永启等:电极对EHD强化沸腾换热的影响 133 压降. 杆状电极由于其半径比线状电极大,可以施 要的作用.电极距离换热表面越近,在换热表面 附近形成的电场强度和电场非均匀性越强,对起 泡的影响也就越大,强化效果越好.但距离也不 能过小.如果距离小于气泡的跃离直径,电极则 会阻碍气泡在换热表面上的滑移运动,使换热系 加相对较高的电压,因而获得比线状电极高的强 化系数,研究者采用这种电极结构的较多【1_ . 李瑞阳等【】 用6根直径为2 IIuI1的杆状电极进行 了强化水平管外沸腾换热的试验研究,工质为Rll, 在热流密度为3.32kW/m 时,最大强化系数为8.76. 与直线电极相比,网格电极明显的优点是在 换热表面附近形成的电场非均匀性强、平均电场 强度高,因而强化效果好.Cheung等【7 先后用 1数降低:距离过小容易导致电介质液体击穿,而使 所施加的最高电压受到限制,不利于换热系数 一的提高.线状、杆状电极与换热表面之间的间隙 般为3~5 mlrl[1 ̄121,网状电极的间隙一般为 3~l0mm【3,6,13,14,1 s1. R一134a为工质对直线状电极、环状网格电极和矩 形网格电极进行EHD强化沸腾换热的对比试验 研究.在相同的条件下,当热流密度为8 kW/m 时,3种电极都获得最大的强化系数,直线电极的 最大强化系数为3,环状网格电极为5.1,矩形网 格电极为5.5.Cheung使用矩形网格电极的目的, 是为了在管子长度方向产生一个附加的非均匀电 场.试验数据表明,在一般情况下矩形网格电极 和环状网格电极的试验曲线极为相似,所以由矩 形网格电极产生的附加非均匀电场对于换热系数 的进一步提高效果不明显. Damianidis等【】 使用杆状/穿孑L板组合电极 对水平低筋管束的强化换热进行了试验研究,工 质为Rll4,在热流密度为800 W/m 时,获得最大 强化系数为2.5.文献【l6】认为这种电极结构形成 的电场分布类似于管外同轴圆柱形电极的电场分 布,换热表面附近的平均电场强度高于线状和杆 状电极,但存在着结构复杂、空间利用率低和流 体流动压降较高等缺点. 1.1.2电极数量的影响 对于线状和杆状电极来说,由l根电极在换 热表面附近形成的电场强度比较低,沸腾换热强 化效果不好.随着电极数量的增加,在换热表面 附近形成的电场强度增加,强化效果逐渐增强,因 此多数的EHD强化管外沸腾换热的试验在每根 管子四周布置数根电极.但并不是电极数量越多 越好,当电极数量达到一定程度时,再增加其数量 对于强化换热系数进一步提高效果不明显.文献 【5】对此进行了试验研究,在其试验条件下,8根电 极与4根电极相比,强化效果没有明显增强.一 般在每根管外布置4根或6根电极. 1.1.3电极与换热表面之间距离的影响 众所周知,在EHD强化沸腾换热中,电场力 对气泡的生成、成长、运动和跃离的影响起着重 1.1.4电极位置的影响 线状和杆状电极布置的方位和方式对强化换 热效果有显著的影响.文献【5】用单根线电极分别 在5个方位进行了EHD强化管外沸腾换热试验, 结果表明,当电极布置在换热管的两个斜下侧位 置时强化效果最好,其后依次是下侧、左右两侧, 而上侧效果最差. Karayiannist 。 使用4种不同的电极结构对水 平管束沸腾换热的EHD强化进行了试验研究,这 4种电极结构分别为:6根线状电极对称布置 (G6W),6根杆状电极对称布置(G6R),4根杆状电 极对称布置(G4R),将G4R的4根杆状电极向下 移动形成偏心布置(G4RA).研究结果列于表1. 由表l可以看出,在不同的电极结构中,高电场强 度并不一定就带来高强化系数.虽然G4RA的电 场强度比G6R低得多,但其强化效果却与G6R 相当,这充分说明了合理布置电极的重要性.文 献【l0】认为,管子下侧的气泡可以在浮升力的作 用下沿管子下表面滑动;而在管子上部则需要较 大的电场力将气泡压向管子上表面,并且在电场 力与浮升力的合力作用下沿管子表面滑动. G4RA电极可以产生最大滑移气泡数,因而其强 化效果最好. 表1 4种电极的强化系数和平均电场强度【10 Tab.1 The enhancement ratios and mean electric ifeld strength in the four geometries【1。】 1.2电极结构对管内EHD强化沸腾换热的影响 由于管内EHD强化沸腾换热的试验条件比 较苛刻,可视性比较差,所以对其研究较少,现有 维普资讯

134 上海理工大学学报 2002年第24卷 的试验研究列于表2.在这些试验中,电极的形状 比较简单,均采用管内同心安装.试验的目的基 本上是为了研究强化换热系数与热流密度、质量 流速、干度以及电压之间的关系,没有对电极进 行专门的研究.从表2可以看出,这些试验的条 件相差很大,研究比较分散,很难找出有关电极对 EHD强化管内沸腾换热的影响规律,在此不作深 入的讨论.由于电极的重要性,电极结构及其布 置对EHD强化管内沸腾换热的影响规律,将成为 该领域的主要研究方向之一. 表2 电极结构及其布置对EHD强化管内沸腾换热的影响 Tab.2 Effect of electrodes on EHD enhancement of boiling heat transfer in tube 注:表中后4列的值为最大强化系数时的数值 2 电极材料、极性对EHD强化沸腾 换热的影响 2.1 电极材料对EHD强化沸腾换热的影响 2.2电极的极性对EHD强化沸腾换热的影响 电极的极性对EHD强化沸腾换热系数几乎 没有什么影响【 】.也就是说,EHD强化沸腾换热 系数与电场的极性或方向无关【 ,Cheungt’ 通过 试验证实了这一点.文献【7】为了研究电极极性的 影响,在EHD强化管束池沸腾换热试验中分别采 用了3种电极极性接法:a.所有的电极都接正高 压电;b.管束上半部的所有电极接正高压电,下 半部的所有电极接负高压电;C.接法与b相反. 试验结果表明,在试验数据误差范围内,这3种电 极接法对强化换热系数没有影响. 电极材料对EHD强化沸腾换热的影响一直 没有受到重视,研究得很少,一般使用不锈钢和铜 作电极.直到1 999年,Paschkewitzt 1才对不同电 极材料进行了EHD强化管内沸腾换热的试验研 究,电极材料分别为青铜、黄铜和不锈钢,采用管 内同心布置,工质为PAO.试验数据表明,在其试 验条件下,电极材料对EHD强化沸腾换热有重要 的影响.不锈钢和黄铜的换热系数曲线、强化系 在沸腾换热过程中,介电泳力使气泡由高电 场强度区域向低电场强度区域运动,而与电场的 方向无关 .除此之外,电场力的方向还受温度 梯度的控制 ,Ogatat 。 对此进行了试验研究.试 数曲线基本相同,而青铜的强化换热效果显著增 强,特别是当电压大于8 000 V时,青铜的强化系 数比黄铜和不锈钢的高出两个数量级.文献[24】 认为造成这种性能差异的可能原因如下:a.3种 金属材料一工质PAO系统的费米能量有差异;b.青 铜比不锈钢和黄铜容易氧化,青铜表面在PAO中 通过氧化还原作用产生自由电子,形成较强的电 荷喷射,导致换热强化;C.它们的电荷喷射特性明 显不同,对于黄铜和不锈钢,仅从正极进行单向喷 射,而对于青铜,则在两个电极进行双极纯号电荷 喷射,会引起换热表面局部热边界层的破坏而导 致换热强化.此解释还有待于进一步验证. 验中,在不加热(均热)条件下,当外加正电压时,则 气泡被压制在电场较弱的电极上,当外加负电压 则不压制;在加热条件下,无论外加正电压还是负 电压,气泡都被压制在电场较弱的换热表面上,而 且换热表面上的气泡数量比均热时多得多;当换 热表面被冷却时,没有气泡与换热表面接触. Ogata对现象的原因进行了如下分析:热边界层 中的温度梯度引起电导率梯度Vcr。,在液体中会 产生电荷,其密度P 为 维普资讯

第2期 刘永启等:电极对EHD强化沸腾换热的影响 1 35 【3】Papar R A,Ohadi M M,Kumar A,et a1.Effect of P =一 o E・Vcr (71) (1) electrode geometry on EHD—enhanced boiling of 因此,当电极为正时,热边界层液体中就会产生负 电荷,而当电极为负时就会产生正电荷.在库仑 力的作用下,带电的液体向电极方向运动.加上 R123/oil mixture【J】_ASHRAE Trans,1993,99(1): 1237~1243. 【4】Ogata J,Yabe A.Basic study on the enhancement of nucleate boiling heat transfer by applying electric 换热表面附近的电场较弱,介电泳力使气泡向换 热表面运动.因此,在强化沸腾换热过程中,无论 电极施加正高压电还是负高压电,气泡都会被压 制在换热表面,与电极的极性无关. ifelds[J]. /nt J Heat Mass Transfer,1993,36(3): 775~782. 【5】陈玉明,刘振华.EHD强化大空间光滑管外核沸腾 换热试验研究[J].上海交通大学学报.1997,3l(9): 虽然电极的极性对换热系数影响不大,但是 文献[24】、【291发现,当线电极施加负电压时,电流 值比正电压的大,功率消耗也大.这可能与线电 极本身释放电子有关【29】. 3结论 本文利用现有的研究成果,对电极影响EHD 强化沸腾换热的规律进行了初步探索,通过分析 和讨论,得出如下结论. a.EHD强化沸腾换热的效果不仅取决于工 质的电物性、换热表面的结构、工作电压的高低 等因素,还取决于电极结构.那些能够在换热表 面上形成高电场强度和强非均匀性的电极结构, 其强化系数较高.对于线电极和杆电极,电极的 数量和位置等对强化系数有重要的影响. b.电极材料对EHD强化沸腾换热的影响与 所使用的工质有关,青铜.PAO所组成的电极一工 质系统具有较好的强化效果. c.还未发现电极的极性对EHD强化沸腾换 热系数有较大的影响. d.由于EHD强化沸腾换热机理的复杂性, 对电极对EHD强化沸腾换热影响规律的认识还 不够深人和全面,还有许多问题需作进一步探索, 特别是在不同电极结构形成的电场分布对气泡运 动影响的数值计算和电极对管内EHD强化沸腾 换热的影响这两个方面,更缺乏研究. 参考文献: 【1】李瑞阳,施伯红,郁鸿凌等.EHD强化水平管外沸 腾传热的试验研究【J].工程热物理学报,2000,21(1): 97~lOO. 【2】Ohadi M M,Papar R A,Ng R A,et a1. EHD enhancement of shell-side boiling heat transer coefifcients of R123/oil mixture[J].ASHRAE Trans, 1 992,98(2):427~434. 34~39. 【6】Singh A,Ohadi M M,Dessiatoun S.EHD—enhanced boiling of R一1 23 over commercially available enhanced tube[J].Trans ASME,J Heat Transfer,1995,117: 1070~1073. 【7】Cheung K H,Ohaddi M M,Dessiatoun S.Compound enhancement of boiling heat transfer of R一1 34a in a tube bundle[J].A E Trans,1995,101(1):1~l1. 【8】Poek S,Kwak H Y A study of bubble behavior and boiling heat transfer enhancement under the electirc ifeld[J].Heat Transfer Engineering,2000,21:3345. 【9】Ogata J,Lawfuji Y Shimada Y et a1.Boiling heat transfer enhancement in tube—bundle evaporators utilizing electric field effects[J]. ASHRAE Trans, 1 992,98(2):435-444. 【10】Karayiannis G,Xu Y Electric field effect in boiling heat trnasfer.Part B:Electrode geometry【I】. EnhancedHeat Transfer,1998,5:231 ̄247. 【l1】Karayinanis T G. EHD boiling heat rtnasfer enhance— ment of R一123 nad R1 1 on a tube bundle[J].Applied Thermal Engineering,1998,18:809-817. 【12】Huang X,Li R Y Yu H L,et 1a.Experimental studies for EHD boiling heat transfer enhancement outside a tube[A].Proc ofSymp on Energy Engineering in the 21st Century fSEE2000)[C],Hong Kong,2000. 【1 3】Cooper E EHD enhancement of nucleate boiling f [J].TransASME,JHeat Transfer,1990,112:458. 【1 4】Singh A,Ohadi M M,Dessiatoun S. EHD—enhanced boiling of R一1 23 over commercially available enhanced tube[J].Trans ASME,J Heat Transfer,1995,117: 1 070~1 073. 【15】Cheung K H,Ohaddi M M,Dessiatoun S,et a1. EHD---cnhanced Boiling Coefifcients and visualization of R134a over enhanced tubes[J].Trans ASME,J 维普资讯

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