CN112611240B - 一种利用离子风强化凝结换热的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属热能工程的强化凝结换热技术领域,具体涉及一种利用离子风强化凝结换热的装置及方法,主要结构包括真空凝结腔体、设置于真空凝结腔体内的针尖电极、与针尖电极垂直设置的水平金属管、连接水平金属管两端的进水管和出水管、分别连接针尖电极和水平金属管的负压高压电源、设置于真空凝结腔体的进气阀和出气阀,所述针尖电极连接负压高压电源的负极,水平金属管连接负压高压电源的正极,所述针尖电极的尖端指向所述水平金属管。本发明的装置利用负压高压电源在针尖电极附近形成高电场强度,进而产生离子风,强化了蒸汽朝凝结壁面的迁移过程,从而强化了凝结换热效果。
Description
技术领域
本发明属热能工程的强化凝结换热技术领域,具体涉及一种利用离子风强化凝结换热的装置及方法。
背景技术
蒸汽凝结是一种在自然界中很容易被观察到的普遍现象,在工业中被广泛应用,如笔记本里面的热管、发电厂的冷凝塔等。当凝结表面的温度低于蒸汽温度时,蒸汽就会在凝结表面上凝结,这个过程伴随着质量以及能量的传递。能量以潜热的形式从蒸汽传到凝结表面,如何提高传热效果在工业应用中有至关重要的作用。例如,如果能加强电子器件中热管凝结部分的换热效果,则能显著降低电子器件的工作温度,这能防止电子器件因温度过高而性能降低甚至失效。
目前的强化凝结换热技术,主要是制作超薄的结构化超疏水表面,来快速移除凝结液滴,这种方式属于被动式的强化技术。这种被动式的强化技术虽然有很高的强化效果,但是其制作过程复杂,稳定性差,耐用性差。因此需要一种结构简单,耐用性好,能耗低的凝结换热强化技术。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种利用离子风强化凝结换热的装置,能够有效促进凝结换热过程,能实现主动控制,并且结构简单、能耗低,同时可以克服凝结表面改性强化凝结换热的不稳定性。
本发明的目的之二在于提供一种利用离子风强化凝结换热的方法,能加强电子器件中热管凝结部分的换热效果,显著降低电子器件的工作温度。
本发明实现目的之一所采用的方案是:一种利用离子风强化凝结换热的装置,主要结构包括真空凝结腔体、设置于真空凝结腔体内的针尖电极、与针尖电极垂直设置的水平金属管、连接水平金属管两端的进水管和出水管、分别连接针尖电极和水平金属管的负压高压电源、设置于真空凝结腔体的进气阀和出气阀,所述针尖电极连接负压高压电源的负极,水平金属管连接负压高压电源的正极,所述针尖电极的尖端指向所述水平金属管。
优选地,所述进水管和出水管的外侧设置有保温层。
优选地,所述进气阀与水平金属管的高度差大于15mm。
优选地,所述水平金属管的表面为超疏水性表面,水平金属管的内径为5~10mm,外径为10~20mm。
优选地,所述针尖电极为针尖形金属材料,其尖端曲率半径≤50μm。
优选地,所述负压高压电源能提供0~-30kV的电压范围。
优选地,所述针尖电极的尖端与所述水平金属管之间的距离为20~100mm。
本发明实现目的之二所采用的方案是:一种利用离子风强化凝结换热的方法,采用所述的装置,包括以下步骤:
一定温度流量的循环冷却水从真空凝结腔体的进水管流入,经过水平金属管后从出水管流出;
一定温度压力的气态工质从进气阀通入真空凝结腔体,至通入的气态工质达到一定压力和温度;
打开负压高压电源,调至一定的电压范围,并适当调节进气阀,使真空凝结腔体内的压力保持基本不变,针尖电极附近的气态工质发生电离,产生离子风,离子风作为凝结核可以吸附气态工质形成微滴,在电场库仑力的作用下,微滴被加速朝向水平金属管凝结;
工作结束后,打开出气阀释放余气。
优选地,所述步骤中,循环冷却水的温度为10~60℃,流量为0.1~5L/min;所述步骤中,气态工质的温度为90~150℃;压力为0.07~0.5MPa;充气后真空凝结腔体内的气态工质的温度为30~80℃;压力范围0.004~0.05MPa,气态工质可以为水蒸汽或有机蒸汽工质。
优选地,所述步骤中,电压为-5~-20kV。
本发明具有以下优点和有益效果:
本发明的装置利用负压高压电源在针尖电极附近形成高电场强度,进而产生离子风,离子风作为凝结核可以吸附气态工质形成带电微滴,在电场库仑力的作用下,微滴被加速朝向水平金属管表面凝结,把由压差驱动的蒸汽分子扩散运动变为主动的库仑力驱动,强化了蒸汽朝凝结壁面的迁移过程,从而强化了凝结换热效果。同时,虽然本方法使用电压较高,但是回路电流非常小,所以能耗极低。总之,本发明能够有效促进凝结换热过程,能实现主动控制,并且结构简单、能耗低,同时可以克服凝结表面改性强化凝结换热的不稳定性。
附图说明
图1是本发明的装置的结构示意图。
附图标记:1-真空凝结腔体,2-针尖电极,3-负压高压电源,4-水平金属管,5-电线,6-进水管,7-出水管,8-进气阀,9-出气阀。
具体实施方式
为更好的理解本发明,下面的实施例是对本发明的进一步说明,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示,一种利用离子风强化凝结换热的装置,主要结构包括真空凝结腔体1、设置于真空凝结腔体1内的针尖电极2、与针尖电极2垂直设置的水平金属管4、连接水平金属管4两端的进水管6和出水管7、分别连接针尖电极2和水平金属管4的负压高压电源3、设置于真空凝结腔体1的进气阀8和出气阀9,所述针尖电极2连接负压高压电源3的负极,水平金属管4连接负压高压电源3的正极,所述针尖电极2的尖端指向所述水平金属管4。所述真空凝结腔体1为正方体结构,出气阀9用于释放气态工质,进气阀8用于通入气态工质。进水管6通入冷却水,出水管7流出冷却水。所述水平金属管4,用作凝结表面,所述水平金属管4的表面为疏水性表面,可机械打磨或加工结构化,可快速移除凝结液滴,水平金属管4的两端分别连接在进水管6、出水管7上,进水管6、出水管7的外侧用保温棉包裹,设置有保温层,以防止气态工质在其表面凝结。所述针尖电极2为针尖形金属材料,其尖端曲率半径≤50μm,针尖电极2处由于尖端曲率半径很小,而电压很大,导致尖端附近电场强度很大,针尖电极2附近蒸汽工质发生电离,产生离子风,离子风作为凝结核可以吸附蒸汽工质形成微滴,在电场库仑力的作用下,微滴被加速朝向水平金属管4凝结,把由压差驱动的蒸汽分子扩散运动变为主动的库仑力驱动,强化了蒸汽朝凝结壁面的迁移过程,从而强化了凝结换热效果。连接针尖电极2的导线5从电极法兰处通过真空凝结腔体1与负压高压电源3负极连接;所述负压高压电源3提供产生离子风的负高压电,负极连接针尖电极2,正极通过真空凝结腔体1上的电极法兰与水平金属管4连接。
所述进气阀8与水平金属管4的高度差大于15mm,避免进气对凝结过程产生影响。
所述真空凝结腔体为高真空腔体,绝对压力范围0.001Pa-10Pa,所述负压高压电源3能提供0~-30kV的电压范围。
本实施例的装置利用负压高压电源在针尖电极2附近形成高电场强度,进而产生离子风,离子风作为凝结核可以吸附气态工质形成带电微滴,在电场库仑力的作用下,微滴被加速朝向水平金属管4表面凝结,把由压差驱动的蒸汽分子扩散运动变为主动的库仑力驱动,强化了蒸汽朝凝结壁面的迁移过程,从而强化了凝结换热效果。同时,虽然本装置使用方法采用的电压较高,但是回路电流非常小,所以能耗极低。总之,本发明能够有效促进凝结换热过程,能实现主动控制,并且结构简单、能耗低,同时可以克服凝结表面改性强化凝结换热的不稳定性。
实施例2
一种利用离子风强化凝结换热的方法,流量为0.5L/min、温度为20℃(温度范围10~60℃;流量范围0.1L/min~5L/min,本实施例优选流量为0.5L/min,20℃)循环冷却水从真空凝结腔体1的进水管6处流入,从出水管7处流出;温度为110℃,压力为0.14MPa(温度范围90℃~150℃;压力范围0.07MPa~0.5MPa,本实施例优选温度为110℃,压力为0.14MPa)的气态工质从真空凝结腔体1的进气阀8处通入,真空凝结腔体1的出气阀9仅用于工作结束后的余气释放。待通入的气态工质压力达到0.01MPa,温度为46℃时(温度范围30℃~80℃;压力范围0.004MPa~0.05MPa,本实施例优选压力0.01MPa,温度为46℃),打开负压高压电源3,调节电压至-10kV(电压范围-5kV~-20kV,本实施例优选-10kV),并适当调节进气阀8,使真空凝结腔体1内的压力保持在0.01MPa左右。针尖电极2处由于尖端曲率半径很小,而电压很大,导致尖端附近电场强度很大,针尖电极2附近气态工质发生电离,产生离子风,离子风作为凝结核可以吸附气态工质形成微滴,在电场库仑力的作用下,微滴被加速朝向水平金属管4凝结,把由压差驱动的蒸汽分子扩散运动变为主动的库仑力驱动,强化了蒸汽朝凝结壁面的迁移过程,从而强化了凝结换热效果。
以上所述是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和变动,这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:采用利用离子风强化凝结换热的装置实施,所述装置主要结构包括真空凝结腔体(1)、设置于真空凝结腔体(1)内的针尖电极(2)、与针尖电极(2)垂直设置的水平金属管(4)、连接水平金属管(4)两端的进水管(6)和出水管(7)、分别连接针尖电极(2)和水平金属管(4)的负压高压电源(3)、设置于真空凝结腔体(1)的进气阀(8)和出气阀(9),所述针尖电极(2)连接负压高压电源(3)的负极,水平金属管(4)连接负压高压电源(3)的正极,所述针尖电极(2)的尖端指向所述水平金属管(4);
所述利用离子风强化凝结换热的方法包括以下步骤:
(1)一定温度流量的循环冷却水从真空凝结腔体(1)的进水管(6)流入,经过水平金属管(4)后从出水管(7)流出;
(2)一定温度压力的气态工质从进气阀(8)通入真空凝结腔体(1),至通入的气态工质达到一定压力和温度;
(3)打开负压高压电源(3),调至一定的电压范围,并适当调节进气阀(8),使真空凝结腔体(1)内的压力保持基本不变,针尖电极(2)附近的气态工质发生电离,产生离子风,离子风作为凝结核可以吸附气态工质形成微滴,在电场库仑力的作用下,微滴被加速朝向水平金属管(4)凝结;
(4)工作结束后,打开出气阀(9)释放余气;
所述步骤(2)中,气态工质可以为水蒸汽或有机蒸汽工质。
2.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述进水管(6)和出水管(7)的外侧设置有保温层。
3.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述进气阀(8)与水平金属管(4)的高度差大于15mm。
4.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述水平金属管(4)的表面为超疏水性表面,水平金属管(4)的内径为5~10mm,外径为10~20mm。
5.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述针尖电极(2)为针尖形金属材料,其尖端曲率半径≤50μm。
6.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述负压高压电源(3)能提供0~-30kV的电压范围。
7.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述针尖电极(2)的尖端与所述水平金属管(4)之间的距离为20~100mm。
8.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,循环冷却水的温度为10~60℃,流量为0.1~5L/min;所述步骤(2)中,气态工质的温度为90~150℃;压力为0.07~0.5MPa;充气后真空凝结腔体(1)内的气态工质的温度为30~80℃;压力范围0.004~0.05MPa。
9.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,电压为-5~-20kV。
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