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低温余热发电模型中EHD强化凝结换热效应研究

作　者: 陈春天
导　师: 杨嘉祥
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 高电压与绝缘技术
关键词: 低温余热发电模型 EHD 凝结换热
分类号: TM617
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

EHD(Electrohydrodynamics)强化换热,是指在流体中施加一电场,利用电场与流体中的流场、温度场相互耦合而使换热系数增加,从而提高换热效率的一种主动强化换热方法,近年来成为国内外学者广泛关注和潜心研究的重要课题之一。在换热器中采用EHD强化凝结换热技术,可以减小换热面积,解决其体积庞大问题。本文以回收低温余热源的低温余热发电模型为基础,以解决低温余热发电系统中存在的换热器温差小、换热能力差等关键技术问题为主要目的,开展了EHD强化凝结换热效应的实验及理论研究。本文在对国内外相关领域进行了充分调研的基础上,针对低温余热发电特点,自行设计、组装了以R11为工质、由蒸发器、EHD冷凝器、涡轮机-发电机组等主要部件组成的热力系统模型。对低温余热发电系统的研究结果表明:以低沸点介电流体为工质可以构建低温余热发电系统,但存在发电效率低等问题。针对这一实验模型进行了EHD强化凝结换热及发电的实验研究。实验数据显示:在相同换热面积和相同工质流量条件下,在冷凝器内对换热流体施加高压电场,凝结换热系数随着外施电压的升高而增加。在有电晕放电的情况下,凝结换热系数增加加快。论文从静电场强化换热理论出发,建立了表征EHD冷凝器中电极间的温度场、电场和电流体力场模型,分别对电场分布、两相流中的凝结过程以及所分析场域的电场力分布进行了数值模拟。利用介电流体的受力不均匀性,对场域空间内流体所受电场力进行了分析。结果表明:电场会引起介电流体的不稳定性,导致管壁膜状凝结转变为珠状或准珠状凝结;电场也可引起场域空间气体的“紊流”并导致换热的增强。最后从流体在电场作用下的受力情况对EHD强化凝结换热机理进行了理论上的探讨,并对实验结果进行分析,得出EHD技术对介电流体的凝结换热有明显强化效果的结论。该项研究的实验模型不仅可以利用在低温余热发电系统,而且对地热、太阳能及海洋温差发电均有参考价值。论文中所研究的EHD强化凝结换热技术是低温余热发电工程中一个具体应用,为EHD强化换热技术的实用化提供了实验基础。文中所研究EHD强化换热理论,不仅为有源强化换热提供了一项新的技术方案,同时,本文对EHD强化凝结换热理论研究的扩展也有一定的参考价值,而且对电磁学、流体力学和热力学理论的跨学科研究有一定的促进作用。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-30
  1.1 国外EHD 强化凝结换热技术的研究现状  16-20
  1.2 国内EHD 强化凝结换热技术的研究现状  20-21
  1.3 EHD 强化凝结换热的数学模型  21-23
  1.4 国内外地热发电发展概况  23-25
  1.5 国内外中低温废热发电概况  25-28
  1.6 本文的选题与主要研究内容  28-30
第2章 EHD 冷凝实验模型及系统  30-47
  2.1 低温余热发电系统  30-32
  2.2 EHD 冷凝器结构设计  32-41
  2.3 EHD 冷凝器的周边组件  41-46
  2.4 本章小结  46-47
第3章 EHD 强化凝结换热实验研究  47-59
  3.1 实验模型  47-50
    3.1.1 加热及冷却系统  48-49
    3.1.2 测量系统  49-50
    3.1.3 系统的密封  50
  3.2 强化凝结换热的评价方法  50-51
    3.2.1 压力比较法  50-51
    3.2.2 凝结换热系数评价法  51
  3.3 实验结果  51-58
    3.3.1 外施电压对凝结换热的影响  51-58
    3.3.2 直流电源的耗电量  58
  3.4 本章小结  58-59
第4章 EHD 冷凝器换热特性数值模拟  59-78
  4.1 凝结换热过程的数值模拟  59-64
    4.1.1 场域模型结构  59-60
    4.1.2 气-液两相流简化模型  60-62
    4.1.3 模拟结果与分析  62-64
  4.2 电场的数值模拟  64-67
    4.2.1 场域模型结构  64-65
    4.2.2 场域控制方程  65
    4.2.3 模型场量数值解析  65-67
  4.3 两相流体中电场力分布的数值模拟  67-77
    4.3.1 单相液体受力分布  68-73
    4.3.2 气—液两相流体界面不稳定性  73-74
    4.3.3 单相气体受力  74-77
  4.4 本章小结  77-78
第5章恒定电场强化凝结换热效应  78-90
  5.1 电场对两相流平衡条件的影响  78-79
  5.2 电场对凝结液滴形成的影响  79-82
  5.3 两相流中的界面扰动  82-87
  5.4 带电流体的EHD 不稳定性  87-89
  5.5 本章小结  89-90
结论  90-91
参考文献  91-100
攻读学位期间发表的学术论文  100-101
附录  101-107
  附录一 R11 的热力性能  101-102
  附录二涡轮机参数计算  102-107
致谢  107

低温余热发电模型中EHD强化凝结换热效应研究

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