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。
技术实现要素：
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。
1.一种利用离子风强化凝结换热的装置，其特征在于：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)。
2.根据权利要求1所述的利用离子风强化凝结换热的装置，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装置，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装置，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装置，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装置，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装置，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。
8.一种利用离子风强化凝结换热的方法，其特征在于：采用权利要求1-7中任一项所述的装置，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。
9.根据权利要求8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，气态工质可以为水蒸汽或有机蒸汽工质。
10.根据权利要求8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。
技术总结