電場作用下肋表面電對流現(xiàn)象的可視化研究

高明+劉夷平+全曉軍+章立新

摘 要： 電場可強(qiáng)化池態(tài)沸騰換熱已經(jīng)得到研究者的普遍認(rèn)可.以往研究者主要針對光滑表面、加熱管或加熱線表面的電場強(qiáng)化換熱進(jìn)行研究.在光滑表面增加肋結(jié)構(gòu)可以改變加熱面附近的電場分布，從而影響加熱面的換熱效果.以R113作為實驗工質(zhì)，搭建了可視化的池沸騰實驗臺，采用高速攝像機(jī)記錄了肋高為2 mm的加熱面在電場作用下的電對流現(xiàn)象.實驗發(fā)現(xiàn)，電對流隨著施加電壓的升高而增強(qiáng)，電對流加速了加熱面附近流體的混合，破壞了熱邊界層，使得加熱面溫度降低從而強(qiáng)化了換熱.

關(guān)鍵詞： 電對流； 肋表面； 電水動力學(xué)

中圖分類號： TK 124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1008-8857（2016）03-0164-05

Abstract： It has been widely recognized by researchers that electric field can strengthen the pool boiling heat transfer.Previous researches focused on electrohydrodynamic（EHD） enhancement of pool boiling heat transfer on smooth surface，heating pipe，and heating wire.Adding rectangular rib structure on a smooth surface can change the electrical field distribution and heat transfer ability of a heating surface.Highspeed camera was utilized to record the electroconvection phenomena on a surface with rib height of 2 mm using R113 as working fluid.It was found that with the increasing of applied voltage，electroconvection was enhanced.It facilitated the fluid mixing on the heating surface and broke the thermal boundary layer，which decreased the wall temperature and thus enhanced the heat transfer.

Keywords： electroconvection； rib surface； electrohydrodynamics

早在1916年Chubb[1]就曾指出外加電場對加熱流體可起到強(qiáng)化作用.20世紀(jì)80年代以來，很多學(xué)者對EHD（electrohydrodynamic）強(qiáng)化換熱進(jìn)行了實驗研究.流體在電場中所受的電場力Fe可以表示為[2]

式中：ρe為電荷密度；ρ為流體密度；E為電場強(qiáng)度；ε為介電常數(shù)；T為溫度.

式（1）中等式右邊第一項為電場施加于流體中自由電荷的庫侖力，稱為電泳力（electrophoretic force），電泳力的方向取決于自由電荷的極性和電場的方向，當(dāng)流體中電流很小時該項可以忽略[3]；第二項表示電場作用下由于介電常數(shù)ε的空間變化而產(chǎn)生的施加于流體上的力，稱為介電泳力（dielectrophoretic force），在兩相流中介電泳力的產(chǎn)生主要是由于汽相與液相間的介電常數(shù)的差別，該項力常用來判斷電場中汽泡的運(yùn)動方向[4]；第三項表示由電場強(qiáng)度空間分布的不均勻性以及介電常數(shù)隨介質(zhì)密度變化而產(chǎn)生的施加于流體上的力，稱為電致伸縮力（electrostriction force），對于不可壓縮流體可以省略[5].

關(guān)于電場對汽泡動力學(xué)的影響，已經(jīng)有很多報道，例如：Chen等[6-9]和文獻(xiàn)[10-12]分別利用網(wǎng)狀電極和平板電極研究了空氣氣泡在直流高壓電場作用下的動態(tài)特性，在電場作用下注入氣泡明顯被拉長；Ogata等[5]利用網(wǎng)狀電極研究了混合相變液體的EHD強(qiáng)化沸騰換熱現(xiàn)象，實驗發(fā)現(xiàn)，在電場作用下汽泡數(shù)量明顯增多，汽泡直徑減小，并指出由于液相和汽相的介電常數(shù)不同，在介電泳力的作用下汽泡被壓向換熱面；Karayiannis等[13] 以R123為工質(zhì)，利用棒狀電極和20 kV的直流高壓電研究了EHD沸騰現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均換熱增強(qiáng)了4.9倍；Kweon等[14] 利用平板電極和統(tǒng)計學(xué)的方法研究了電場作用下加熱線的沸騰現(xiàn)象，并引進(jìn)了潛熱換熱和對流換熱所占比例的概念.

以上研究均針對冷態(tài)注入氣泡或沸騰汽泡進(jìn)行，而針對電對流進(jìn)行的研究很少，例如Siedel等[15]觀察到了類似的單相對流，但只是提及并未對其做深入研究.本文建立了池沸騰實驗臺，通過高速攝像機(jī)記錄了不同電場強(qiáng)度下肋表面電對流的運(yùn)動規(guī)律，對深入研究電場強(qiáng)化換熱具有積極的意義.

1 實驗裝置及過程

1.1 實驗裝置

電場作用下池沸騰系統(tǒng)如圖1所示，主要組成有沸騰容器、實驗段加熱芯、恒溫槽、蒸汽冷凝盤管、池內(nèi)恒溫盤管、高壓電源、加熱電源、溫度采集儀和高速攝像機(jī)等.

本實驗中所用的工質(zhì)為R113，其對有機(jī)材料具有一定的腐蝕性，因此設(shè)計了一套全玻璃的沸騰池，如圖1（a）所示.沸騰池的上、下各有一組盤管，上部為冷凝盤管，下部為恒溫盤管.容器的有效腔體尺寸為14 cm×14 cm×14 cm.容器的四周玻璃壁面由厚度為10 mm的超白玻璃通過白色高溫陶瓷膠粘貼而成；容器的上、下壁面均由厚度為19 mm的超白玻璃加工制成，且均開有深2 mm、寬12 mm的凹槽，用于固定四周玻璃壁面；下壁面中心位置開有Φ 45 mm的通孔，用于安裝聚四氟乙烯保溫套；上壁面開有5個Φ 8 mm的通孔，用于安裝冷凝盤管、恒溫盤管和高壓電極，高壓電極與改裝后的游標(biāo)卡尺連接.

沸騰池的核心部件為加熱芯體，如圖1（b）所示.從圖中可以看出，加熱芯體由加熱棒、銅柱、聚四氟乙烯保溫套和測溫?zé)犭娕冀M成.加熱棒與聚四氟乙烯保溫套之間用高溫陶瓷膠密封.由于聚四氟乙烯與高溫陶瓷密封膠很難粘牢，因此在兩者粘貼處開了一個2 mm×2 mm的環(huán)形凹槽，這樣能夠增加密封膠與保溫套的接觸面積，從而可以有效地防止實驗過程中工質(zhì)的滲漏.在銅柱的上表面制作實驗用的矩形表面，下表面開有5個用于放置加熱棒的孔.在加熱芯中共布置9支T型熱電偶，每3支為一組布置在同一平面內(nèi)且呈120°分散排列，三組熱電偶沿?zé)崃鞣较蛞? mm間隔分布，最上面一組熱電偶距離加熱面底部5 mm.

加熱面由紫銅棒精加工而成，如圖1（a）所示，加熱面上的矩形肋高為2 mm，肋寬為1 mm，肋間距為2 mm.本實驗所用電極為網(wǎng)狀電極，電極網(wǎng)的金屬絲由直徑為0.2 mm的304不銹鋼制成，網(wǎng)眼尺寸為1 mm×1 mm.首先將金屬網(wǎng)固定在厚度為2 mm的聚四氟乙烯套圈上，金屬網(wǎng)通過電極引線與高壓電源相連.套圈與固定桿（材料為聚四氟乙烯）之間由四根鐵絲固定（鐵絲不與電極網(wǎng)相連），通過銅棒將固定桿與電極高度調(diào)節(jié)尺連接，調(diào)節(jié)尺的調(diào)節(jié)精度為0.02 mm.

1.2 實驗過程

為了研究電場對沸騰換熱的影響，采用在恒定熱功率下分別施加不同電壓的方法進(jìn)行實驗.該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠保證施加電壓前實驗條件的一致性.例如，分別施加不同高壓電前，每種情況都處于相同的壁面溫度和流體溫度下，因此能夠準(zhǔn)確地測量施加不同電壓時，相對于電壓0 V時壁溫下降或升高的數(shù)值.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 施加電場瞬間電對流的變化

R113常壓下的沸點(diǎn)為47.5℃.實驗中沸騰池內(nèi)工質(zhì)的溫度維持在45℃左右.隨著加熱功率的升高，壁面溫度會高于工質(zhì)的沸點(diǎn)，因此在加熱壁面上存在過熱邊界層.邊界層內(nèi)的熱流體在浮升力的作用下緩慢上浮，從而發(fā)生冷熱流體的混合.由于冷熱流體的密度不同，因此當(dāng)光線穿過加熱壁面上方的流體時，光線會發(fā)生偏折，并且在高速攝像機(jī)采集到的圖片上呈現(xiàn)出明暗的變化.施加電流瞬間電對流變化如圖2所示，圖中：q為熱流密度；V為所施加的電壓；t為時間.

從圖2中可以看出，在加熱面的上部看到明顯的絮狀“煙霧”，在肋片的頂角處尤為明顯.“煙霧”的形狀反映出加熱面上熱對流的形態(tài).電對流的產(chǎn)生主要是由于液體的介電常數(shù)是溫度的函數(shù)，溫度高的地方介電常數(shù)小，這樣就會在熱邊界層內(nèi)的流體中產(chǎn)生介電常數(shù)梯度.由于介電常數(shù)的不同在電場的作用下熱邊界層內(nèi)的流體會產(chǎn)生極化電荷，極化電荷受到電場力的作用促使流體從場強(qiáng)高的地方向場強(qiáng)低的地方運(yùn)動，便產(chǎn)生了電對流效應(yīng).

圖2為q=7 736 W·m-2時，在5 000 V電場作用下電對流的瞬間變化.電對流可以通過熱對流的可視化反映出來.從圖2中可以看出：在沒有施加電場時，熱對流呈現(xiàn)出向中間聚攏并上升的狀態(tài)（t=0 s）；在施加電場的瞬間，熱對流從肋的頂部開始向下運(yùn)動（t=0.02 s），并逐漸擴(kuò)展到整個肋的表面（t=0.04～0.2 s）；在施加電場2 s后，加熱面的熱對流基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壁面呈現(xiàn)均勻的熱對流現(xiàn)象（t=2 s）.

2.2 穩(wěn)態(tài)時電對流狀態(tài)

圖3為q=7 736 W·m-2時，在不同強(qiáng)度電場作用下電對流達(dá)到穩(wěn)定后加熱面的情況.從圖中可以看出，隨著電壓的升高，加熱面上的熱對流混合越發(fā)均勻，并且熱對流向加熱面四周波及的范圍越廣.當(dāng)電壓為0 V時，加熱面的肋上部出現(xiàn)明顯的熱對流現(xiàn)象，并且對流呈現(xiàn)出向中間聚攏的狀態(tài)；當(dāng)電壓為1 000 V時，熱對流擾動開始增強(qiáng)，肋上部的擾動尤為明顯，但加熱面上的擾動僅僅存在于其上方的空間；當(dāng)電壓為2 000 V時，擾動擴(kuò)展到加熱面上方以外的區(qū)域，此時加熱面上有些地方的熱對流仍然呈現(xiàn)出連續(xù)的絮狀對流；隨著電壓的進(jìn)一步增加，電對流的影響區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，熱對流的擾動也進(jìn)一步增強(qiáng)，連續(xù)的絮狀對流越來越少，當(dāng)電壓為5 000 V時已經(jīng)很難發(fā)現(xiàn)連續(xù)的絮狀對流.

2.3 電對流對換熱的影響

從以上的分析可以看出，當(dāng)施加電場后加熱面的電對流明顯增強(qiáng)，電對流效應(yīng)使得加熱面附近的冷熱流體混合更充分，冷熱流體的強(qiáng)烈混合破壞了熱邊界層，從而使得壁面溫度降低.圖4為施加不同電壓后壁面溫度的變化規(guī)律.從圖中可以看出，施加電壓后壁面溫度降低，并且電壓越高壁面溫度降低得越明顯.本文中加熱面采用恒定熱流加熱，壁面溫度降低說明換熱得到了增強(qiáng).

3 結(jié) 論

本文建立了可視化的池沸騰試驗臺，觀察到了電場作用下肋加熱面上的電對流現(xiàn)象，得到如下結(jié)論：

（1） 在電場作用下，電對流的運(yùn)動方向指向加熱面，增強(qiáng)了加熱面附近流體的混合；

（2） 電對流現(xiàn)象隨著施加電壓的升高而加強(qiáng)；

（3） 電對流破壞了熱邊界層，使得加熱面溫度降低，并且電壓越高壁面溫度降低越明顯.

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