Способ интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности

Изобретение относится к способам интенсификации теплообмена жидкости с гладкой поверхностью и может быть использовано при изготовлении систем охлаждения гладкой поверхности, в частности, при изготовлении систем охлаждения микроэлектронного оборудования. На гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей диаметра d, расположенных в шахматном порядке на расстоянии L друг от друга. Диаметр d каждой гидрофобной области и расстояние L гидрофобных областей друг от друга определяют из свойств жидкости и охлаждаемой поверхности. Техническим результатом изобретения является интенсификация теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности с минимальными затратами на обработку охлаждаемой поверхности и обеспечение равномерности теплообмена. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области инженерных наук, в частности к способам интенсификации теплообмена жидкости с гладкой поверхностью, и может быть использовано при изготовлении систем охлаждения гладкой поверхности, в частности при изготовлении систем охлаждения микроэлектронного оборудования.

В охлаждающих системах часто используются одно- или двухфазные течения в каналах с шероховатостью гладких поверхностей меньше 1·10-7 м. Известно, что кипение интенсифицирует теплообмен, поэтому искусственное создание центров образования пузырей на гладких поверхностях приводит к улучшению теплообмена при кипении. Сложности в организации теплообмена гладкой поверхности с охлаждающей жидкостью связаны с тем, что наиболее интенсивным процессом охлаждения поверхности является кипение охлаждающей жидкости. Известно, что на гладких поверхностях, обедненных естественными центрами парообразования, перегрев стенки относительно температуры кипения может составлять несколько десятков градусов (Кутепов и др., 1986). На гладкой поверхности отсутствуют центры парообразования, поэтому кипение жидкости начинается при значительном перегреве стенки относительно температуры кипения жидкости, что может вывести из строя охлаждаемое оборудование. Для уменьшения перегрева стенки гладкую поверхность насыщают центрами парообразования таким образом, чтобы стенка оставалась гидравлически гладкой.

Известен способ интенсификации теплообмена на поверхности (Boiling enhancement coating патент США №5814392, 1998, B05D 5/02; C09D 7/00; F28F 13/00; F28F 13/18; B32B 015/08; C08K 003/00), при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на всю гладкую охлаждаемую поверхность наносят смесь из клея, частиц и растворителя, при этом поверхность приобретает гидрофобные свойства.

К недостаткам этого способа можно отнести следующее:

1. Образование неконтролируемых расположений и размеров центров кипения, что приводит к неравномерному теплообмену.

2. Клей подвержен разрушению при больших тепловых нагрузках.

3. Несовместимость некоторых материалов охлаждаемой поверхности и наносимой смеси.

4. Необходимость обрабатывать всю поверхность, что ведет к излишним затратам.

Известен способ формирования нанорельефа на теплообменных поверхностях изделий (патент РФ №2433949, 2010, B82B 3/00, B82Y 40/00), при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на всю гладкую охлаждаемую поверхность наносят сплошной слой наночастиц, при этом поверхность приобретает гидрофобные свойства. Достигается это путем осуществления на гладкой охлаждаемой поверхности кипения наножидкости. Материал наночастиц выбирают с температурой плавления, равной 0,8-0,9 от температуры плавления изделия, получают при кипении наножидкости сплошной слой наночастиц на поверхности изделий с минимальным термическим сопротивлением, выдерживают изделие вместе со слоем наночастиц на нем в инертной атмосфере при температуре 0,7-0,8 от температуры плавления наночастиц в течение 30 мин.

К недостаткам этого способа можно отнести:

1. Образование неконтролируемых расположений и размеров центров кипения, что приводит к неравномерному теплообмену.

2. Необходимость обрабатывать всю поверхность, что ведет к излишним затратам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство и метод для интенсификации теплообмена (EP 2028432 A1, 2009, B05D 1/18, B05D 5/08, C08J 7/04), при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении часть гладкой охлаждаемой поверхности обрабатывается химическим способом (нанесением монослоя молекул другого вещества), при этом часть поверхности является гидрофильной, а другая часть - гидрофобной. На гидрофобной поверхности образование пузырьков газа и начало процесса кипения начинается при меньших значениях перегрева поверхности из-за наличия центров парообразования, и интенсификация теплообмена увеличивается.

К недостаткам этого способа можно отнести:

1. Гидрофобная область является сплошной, и ее размеры соизмеримы с размерами самой поверхности, что приводит к образованию неконтролируемых расположений и размеров центров кипения, что, в свою очередь, приводит к неравномерному теплообмену.

2. Дороговизна способа.

Задачей заявляемого изобретения является интенсификация теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности с минимальными затратами на обработку охлаждаемой поверхности и обеспечение равномерности теплообмена.

Поставленная задача решается тем, что в способе интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности, при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности создается гидрофобная область, согласно изобретению, на гладкой охлаждаемой поверхности создается множество гидрофобных областей заданного диаметра (d), которые располагаются по всей охлаждаемой поверхности в шахматном порядке и на определенном расстоянии (L) друг от друга.

На гидрофобных областях образуются зародыши парообразования. Значения d и L определяют из свойств охлаждаемой поверхности и охлаждающей жидкости. Минимальное значение d зависит от значения диаметра зародыша парового пузыря. Для воды при минимальном значении температуры перегрева диаметр зародыша составляет 4·10-5 м. На гидрофобной области для обеспечения кипения при минимальных температурах перегрева желательно наличие хотя бы одного подобного зародыша, что дает условие 4·10-5 м < d < 1·10-4 м. Минимальное значение расстояния между гидрофобными областями L равно минимальному отрывному диаметру пузыря при высоких тепловых потоках (И.Г. Маленков. О зависимости частоты отрыва паровых пузырей от их размера, ИФЖ, 1971, №6), а максимальное значение расстояния между гидрофобными областями равно половине предельного отрывного диаметра пузыря, которое определяется по формуле Фрица для предельного малых тепловых потоков:

где

D - предельный отрывной диаметр пузыря;

Θ - краевой угол смачивания;

σ - коэффициент поверхностного натяжения;

ρv - плотность пара;

ρ - плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения.

Отсюда следует, что для воды L лежит в диапазоне от 5·10-4 м до 2,5·10-3 м. Краевой угол смачивания (Θ) является характеристикой гидрофильности (гидрофобности) поверхности. Он определяется как угол между касательной, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз: твердой фазы, жидкости и газа (пара).

Коэффициент теплоотдачи при кипения на гидрофобной поверхности выше, чем на гидрофильной, т.к. работа, затраченная на образование паровых пузырей, меньше. Причем максимальное количество паровых пузырей образуется на границе областей с разным смачиванием. Однако величина критического теплового потока выше на гидрофильной поверхности, т.к. паровая пленка легче образуется на гидрофобной поверхности. Поэтому полная площадь гидрофильной поверхности должна существенно превосходить суммарную площадь гидрофобных областей. С одной стороны, мы имеем условие максимальной длины границы областей с разным смачиванием max{πdN}, где N - количество пятен, d - диаметр пятна, с другой - условие d<<L. Учитывая вышесказанное, можно рекомендовать следующие соотношения для диаметров гидрофобных областей и расстояний между ними: d=L/2, L=D/2, где D определяется формулой Фрица: Θ краевой угол смачивания определяется из свойств жидкости и поверхности и может быть определен из справочной литературы или измерен (de Geimes, P.G. (1985). "Wetting: statics and dynamics". Reviews of Modem Physics 57: 827-863. Bibcode: 1985RvMP…57…827D. doi: 10.1103/RevModPhys.57.827, C. Delia Voipe; M. Brugnara (2006). "About the possibility of experimentally measuring an equilibrium contact angle and its theoretical and practical consequences". Contact Angle, Wettability and Adhesion 4: 79-100, С. Delia Voipe; et al. (2001). "An experimental procedure to obtain the equilibrium contact angle from the Wilhelmy method". Oil and Gas Science and Technology 56: 9-22, Edward W. Washbum (1921). "The Dynamics of Capillary Flow". Physical Review 17(3): 273. Bibcode: 1921PhRv…17…273W. doi: 10.1103/PhysRev.17.273, http://www.kruss.de/services/education-theory/glossary/contact-angle/). Эти соотношения раскрывают зависимость приведенных диаметров и расстояний от свойств жидкости и охлаждаемой поверхности и позволяют обеспечить промышленную применимость предлагаемых поверхностей теплообмена.

Упорядоченное локальное образование гидрофобных областей по всей охлаждаемой поверхности позволяет интенсифицировать теплообмен в 2 раза, приводит к снижению перегрева поверхности относительно температуры кипения на 30%, а также обеспечивает равномерный теплообмен на всей охлаждаемой поверхности. Заявляемый способ интенсификации теплообмена на гладкой поверхности также позволяет удешевить обработку охлаждаемой поверхности, поскольку в этом случае обрабатывается не вся поверхность, а относительно малая ее часть, не более 5%.

В результате использования гидрофильной поверхности с гидрофобными областями получается поверхность с контрастной смачиваемостью (разными краевыми углами смачивания Θ), что позволяет интенсифицировать теплообмен при кипении.

На фиг. 1 представлен общий вид охлаждаемой поверхности с образованными на ней гидрофобными областями.

1 - охлаждаемая поверхность (гидрофильная), 2 - гидрофобная область диаметра d, L - расстояние между гидрофобными областями.

На фиг. 2 представлена схема образования зародышей пузырей на поверхностях с разной степенью гидрофобности.

1 - гидрофильная поверхность (охлаждаемая поверхность) с краевым углом смачивания Θ0, 2 - гидрофобная область с краевым углом смачивания Θ1, 3 - гидрофобная область с краевым углом смачивания Θ2. При этом Θ012.

Способ осуществляется следующим образом.

На гладкой охлаждаемой поверхности создается множество гидрофобных областей, при этом гидрофобные области имеют заданный диаметр (d) и располагаются по всей поверхности в шахматном порядке и на определенном расстоянии L друг от друга. При обтекании охлаждаемой поверхности охлаждающей жидкостью на гидрофобных областях при меньших значениях перегрева поверхности, чем на гидрофильной части поверхности, образуются пузырьки пара, способствующие началу процесса кипения и интенсифицирующие теплообмен.

Технология образования гидрофобных областей может осуществляться разными способами. Например, с помощью запатентованной технологии «Devices and method for enhanced heat transfer» (EP 2028432A1, 2009, B05D 1/18, B05D 5/08, C08J 7/04). Метод состоит в том, что на гладкую охлаждаемую поверхность химически втравливают атомы золота, затем к атомам золота прививают наночастицы (наноструктуры, обычно цепочка из атомов углерода). Это позволяет управлять началом процесса кипения в двухфазных течениях, используя определенное заранее значение смачиваемости охлаждаемой поверхности.

Использование данного способа позволяет значительно снизить затраты на обработку поверхности и обеспечить равномерный теплообмен.

Пример реализации способа.

Например, для воды на кремниевой пластине, может быть рекомендована поверхность с гидрофобными областями диаметром d, равным 1·10-3 м, с расстоянием между ними L, равным 2·10-3 м, причем должно выполняться условие, что Θ21 для образования зародышей парообразования при малых тепловых потоках. Минимальная разница между краевыми углами смачивания Θ2 и Θ1 составляет 10°. Можно рекомендовать следующие диапазоны краевых углов смачивания: 0°<Θ0<40°, 40°<Θ1<90, 90°<Θ2<180°. Для хорошо смачивающих жидкостей, использующихся для охлаждения микроэлектронного оборудования типа FC-72 углы Θ0, Θ1, Θ2 лежат в диапазоне: 0°<Θ0<15°, 15°<Θ1<40°, 40°<Θ2<60°.

1. Способ интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности, при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности образуют гидрофобную область, отличающийся тем, что на гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей диаметра d, расположенных в шахматном порядке на расстоянии L друг от друга, причем диаметр каждой гидрофобной области d и расстояние гидрофобных областей друг от друга L определяют из свойств жидкости и охлаждаемой поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образуют 2 вида гидрофобных областей, которые имеют разные краевые углы смачивания Θ, причем Θ012, где Θ0 - краевой угол смачивания гладкой охлаждаемой поверхности; Θ1 - краевой угол смачивания гидрофобной области; Θ2 - краевой угол смачивания гидрофобной области, и разница между Θ2 и Θ1 не менее 10°.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к материалу, излучающая/поглощающая способность которого близка к излучающей/поглощающей способности абсолютно черного тела.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для отвода тепловой энергии (или тепла), выделяемой в оборудовании каким-либо источником тепла (например, электронной схемой или электронным компонентом).

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при отводе тепловой энергии от тепловыделяющего оборудования. .

Изобретение относится к технической физике и предназначено для оптимизации параметров поверхности теплообмена. .

Изобретение относится к теплообмену при кипении жидкости и может быть использовано для исследования теплообмена при испарении жидкости и режимов испарительного охлаждения теплонапряженных элементов технических устройств в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к способу и устройству для неэлектролитической металлизации поверхности подложки путем напыления одного или нескольких окислительно-восстановительных растворов.

Изобретение относится к области физики и может быть использовано для повышения качества нанесения защитных: биозащитных (от грибков, насекомых и др.), огнезащитных (противостоящих высокой температуре, открытому пламени и др.), антикоррозийных и окрасочных, составов (ЗС) в воздушной и в жидкой среде (в том числе под водой) на поверхность субстрата из стали, бетона, полимеров и др.

Изобретение относится к защите стали от коррозии и может быть использовано для защиты путепроводов, железнодорожных и автомобильных мостов и других металлических конструкций и сооружений.
Изобретение относится к технологии производства удаляемых защитных покрытий из углеродсодержащих материалов и может быть использовано для подложек, например, для подложек типа стекла с определенными характеристиками светопропускания в видимой области.

Изобретение относится к способу изготовления подложки, в частности стеклянной, имеющей атласный или матовый вид. .

Изобретение относится к области нанесения полимерных защитных покрытий и может быть использовано для создания антикоррозионного слоя на внутренних металлических поверхностях полых цилиндрических изделий, предназначенных для транспортировки и хранения агрессивных сред.

Изобретение относится к способу нанесения многокомпонентной клеевой смеси на объекты, проходящие через пункт нанесения клея производственной линии для нанесения клея.

Изобретение относится к системам покрытия на водной основе, которые могут быть использованы для формирования прочного, износостойкого, жесткого защитного покрытия на широком спектре подложек. Способ покрытия грузового контейнера включает стадии, на которых обеспечивают грузовой контейнер или его один или более компонентов, при этом часть подвергаемой воздействию среды поверхности грузового контейнера включает по меньшей мере один сплав из нержавеющей стали; используют, по меньшей мере, водный состав покрытия с формированием покрытия на поверхности, подвергаемой воздействию среды, при этом водный состав покрытия включает ингредиенты, содержащие водный носитель, пленкообразующую смолу, содержащую стирол-акриловую эмульсию, в смеси с водным носителем и один или более пигментов, диспергированных в водном составе покрытия. Изобретение позволяет получить покрытие, обладающее превосходными свойствами адгезии, устойчивостью к пузырению, высокой гибкостью и ударопрочностью, и которое может быть непосредственно нанесено на поверхности из нержавеющей стали без необходимости промежуточного слоя грунтовки. Полученные покрытия имеют более низкие выбросы VOC и меньший остаточный запах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 8 табл., 4 пр.

Изобретение относится к порошковой композиции для покрытия, содержащей порошок полиэфирного полимера, к изделию, представляющему собой отвержденное покрытие из этой композиции, к способу получения отвержденного покрытия, к изделию, содержащему упаковочный контейнер для пищевых продуктов и напитков, к композиции для покрытий, включающей полиэфирный полимер и жидкий носитель, и к способу получения этого покрытия, используемого также для покрытий труб. Пленкообразующий полимер, который является основой для покрытий, содержит продукт реакции полиэпоксидного соединения, содержащего сегмент общей формулы (1) и многоатомного фенола, в частности, полученный из одного или более сегментов формулы (1), полученных из диглицидилового эфира 4,4´-метиленбис(2,6-ди-третбутилфенола), диглицидилового эфира 2,2´-метиленбис(4-метил-6-трет-бутилфенола), диглицидилового эфира 4,4´-метиленбис(2,6-диметилфенола), диглицидилового эфира 4,4´-бутилиденбис(2-трет-бутил-5-метилфенола) или их производных. Настоящее изобретение дополнительно представляет порошковые композиции покрытий, содержащие полимер, которые являются полезными для множества целевых использований покрытий, включая, например, покрытия клапанов и труб. Изобретение позволяет получить покрытия различного целевого назначения, безопасные для контактов с пищевыми продуктами, обладающие превосходной адгезией, стойкие к воздействию суровых атмосферных условий. 7н. и 34 з.п. ф-лы, 5 табл., 14 пр.

Изобретение относится к системам и способам нанесения покрытия на заготовку путем распыления жидкости и, в частности, к системам и способам, уменьшающим обслуживание, требуемое вследствие распыленной жидкости на частях покрывающей системы. Система для нанесения покрытия на заготовку содержит аппликаторную головку, выполненную с возможностью нанесения покрытия из жидкости-носителя на водной основе с содержанием твердых веществ на заготовку и удаления избытка жидкости-носителя посредством разрежения. Кроме того, система содержит первый и второй паровые выпуски, функционально соединенные с источником пара. Паровые выпуски выполнены с возможностью направления пара к аппликаторной головке для предотвращения накопления жидкости-носителя на аппликаторной головке. Первый паровой выпуск расположен в первом угловом положении относительно оси аппликаторной головки. Второй паровой выпуск расположен во втором угловом положении относительно оси аппликаторной головки. Первое угловое положение отличается от второго углового положения. По второму варианту система может также содержать пароподающий коллектор, функционально соединенный с источником пара и установленный на аппликаторной головке. Пароподающий коллектор содержит множество паровых отверстий, выполненных с возможностью направления пара по меньшей мере к двум периферийным сторонам аппликаторной головки для предотвращения накопления жидкости-носителя на аппликаторной головке. Способ нанесения покрытия на заготовку включает этап, на котором обеспечивают аппликаторную головку. Кроме того, располагают по меньшей мере два паровых выпуска смежно аппликаторной головке для направления пара по меньшей мере к двум периферийным сторонам аппликаторной головки. Затем присоединяют по меньшей мере два паровых выпуска к источнику пара через по меньшей мере один пароподающий трубопровод. Кроме того, приводят в действие аппликаторную головку для нанесения покрытия из жидкости-носителя на заготовку и удаления избытка жидкости-носителя посредством разрежения. Затем выпускают пар через по меньшей мере два паровых выпуска при приведении в действие аппликаторной головки. Техническим результатом группы изобретений является сокращение необходимого обслуживания системы, улучшение сохранения свойств жидкости и улучшение качества жидкости для покрытия. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к новому жидкому при комнатной температуре отвердителю смолы, предпочтительно эпоксидной смолы. Отвердитель представляет собой гибридный метилен-бис-анилин формулы (1) в которой каждый из R1-R4 независимо выбран из неразветвленного или разветвленного C1-C5-алкила. Изобретение также относится к смеси в жидкой форме, полученной взаимодействием анилина А и анилина В с формальдегидом в кислотной среде и содержащей гибридный метилен-бис-анилин А (А-А), гибридный метилен-бис-анилин В (В-В) и 30-63 мас.% гибридного метилен-бис-анилина формулы (1), к способу ее получения, а также к двухкомпонентной отверждаемой полимерной системе, содержащей жидкий вышеуказанный отвердитель или вышеуказанную смесь и отверждаемую смолу, предпочтительно эпоксидную смолу. Изобретение также относится к отвержденной смоле, предназначенной для получения структурированных материалов, и к способу ее получения. Способ заключается в смешении компонентов двухкомпонентной отверждаемой полимерной системы, с последующим отверждением при повышенной температуре. Смола предпочтительно имеет по меньшей мере одну или несколько характеристик, выбранных из следующих физических свойств: Tc в сухом состоянии выше 170°C, Tc во влажном состоянии выше 150°C и модуль упругости, по меньшей мере, 3,0 ГПа без присутствия каких-либо структурированных волокон. 6 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 7 пр.

Изобретение относится к области теплообменных аппаратов, в частности к системам охлаждения электрогенераторов вспомогательных газотурбинных силовых установок, применяемым в авиационных двигателях, а также в стационарных мини-электростанциях. Предлагаемое устройство содержит корпус с кольцевым спиральным каналом, в котором выполнены продольные перегородки с пазами, причем на поверхности пазов в продольных перегородках выполнены канавки. Технический результат - увеличение эффективности охлаждения, надежности и ресурса работы устройства с кольцевым спиральным каналом, в котором протекает охлаждающий теплоноситель. 1 з.п ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в энергетике и транспорте. Теплообменник содержит две коаксиально расположенные трубы, внутренняя из которых состоит из чередующихся конфузорных и диффузорных элементов, выполненных в виде боковых поверхностей усеченных конусов различной длины, соединенных между собой периметрами малых и больших оснований этих конусов, на внешней стороне которых в кольцевом канале, образованном наружными боковыми поверхностями конусов и внутренней поверхностью наружной трубы теплообменника, находится тканая металлическая сетка, выполненная из проволок диаметром не более 2 мм, расположенная на среднем расстоянии не более 2 мм от наружной поверхности усеченных конусов внутренней трубы. Достигаемый технический результат заключается в увеличении теплоотдачи за счет турбулизации потока в пристенной области при одновременном уменьшении гидравлического сопротивления потоку теплоносителя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх