Интенсифицирующая теплообменная поверхность для удлинения динамического мениска

Изобретение относится к области электроники, в частности к испарительным системам охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования, таким, как микроканальные теплообменники и тепловые трубы, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах. Задачей изобретения является повышение эффективности испарения за счет создания микрооребренной поверхности со значительной площадью линий контакта трех фаз. Согласно изобретению на продольных ребрах интенсифицирующей микрооребренной теплообменной поверхности выполнено множество продольных микроканавок, несимметрично расположенных относительно плоскости продольного сечения ребра и имеющих различную ширину, причем ширина микроканавки тем меньше, чем ближе она к вершине ребра. 5 ил.

 

Изобретение относится к области электроники, в частности к испарительным системам охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования, таким, как микроканальные теплообменники и тепловые трубы, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах.

Для интенсификации теплообмена в испарительных системах охлаждения используют различные способы развития поверхности, в том числе нанесения мини- и микрооребрения различной формы, поверхностной упорядоченной и неупорядоченной шероховатости, частичной перфорации и многое другое.

Известно техническое решение, описанное в статье [Marangoni convection and heat transfer in thin liquid films on heated walls with topography: Experiments and numerical study, Physics of Fluids, 2005, 17, 062106]. Рассмотрено экспериментальное исследование влияния эффекта Марангони на теплообмен в тонких пленках жидкости, стекающих по нагреваемым микроструктурированным горизонтальным поверхностям. В экспериментах использовалась поверхность с продольным микрооребрением. В поперечном сечении ребра имели треугольную форму, а межреберные впадины - форму трапеции. Теоретически было установлено, а экспериментально подтверждено, что интенсивность теплообмена на нагреваемых оребренных поверхностях зависит от структуры оребрения, и за счет оптимизации структуры можно увеличить интенсификацию теплообмена до 30%.

Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в статье [В.В. Чеверда, О.А. Кабов, Кризис теплообмена на микрооребренном нагревателе при течении пленки жидкости FC-72 под действием потока газа в миниканале, Теплофизика и аэромеханика, 2016, том 23, №6]. В экспериментальном исследовании кризиса теплообмена при движении пленки жидкости под действием потока газа в плоском миниканале используют нагреватель с микрооребренной поверхностью. Микрооребрение ориентировано по потоку с шириной отдельно взятой структуры w=0,3 или 0,5 мм.

При течении жидкости по такой поверхности вследствие испарения в межреберных впадинах формируется мениск жидкости. Вершины ребер оголяются от жидкости. На каждой вершине ребра формируется две области с очень тонкой пленкой жидкости, фиг. 1, где 1 - микрооребренная поверхность; 2 - мениск жидкости; 3 - «микрорегион»; 4 - межреберная впадина; 5 - ребро. Здесь понятие мениск жидкости равносилен понятию «удлиненный мениск жидкости», который включает в себя существенную часть мениска, где играют роль в основном только капиллярные силы, а также включает «микрорегион», где важно также действие расклинивающего давления.

Такие области в научной литературе называют «микрорегионом». В данной области происходит контакт трех фаз газ - жидкость - твердое тело, что обеспечивает очень высокую интенсивность испарения. Данный факт подтвержден целым рядом теоретических и экспериментальных работ [Р.С. Stephan, С.A. Busse, Analysis of the heat transfer coefficient of grooved heat pipe evaporator walls, Int. J. Heat Mass Transfer, 1992, 35 (2) 383-391; C. Kunkelmann, K. Ibrahem, N. Schweizer, S. Herbert, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman, The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations, Int. J. Heat Mass Transfer, 2012, 22, 1896-1904]. Вследствие испарения в межреберных впадинах мениск жидкости углубляется в канавку, что приводит к росту кривизны границы раздела газ - жидкость и, как следствие, к капиллярному транспорту жидкости вдоль нагреваемой поверхности. Тем не менее, значительная часть поверхности ребра оголяется от жидкости и уже не участвует в процессе испарения, что заметно снижает эффективность испарителя.

Недостатками указанных технических решений является относительно малая площадь линий контакта трех фаз по сравнению с площадью ребра, что заметно снижает эффективность испарителя.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности испарения за счет создания микрооребренной поверхности для удлинения динамического мениска, что обеспечивает значительную площадь линий контакта трех фаз по сравнению с прототипом.

Согласно изобретению на продольных ребрах интенсифицирующей микрооребренной теплообменной поверхности выполнено множество имеющих треугольную форму в поперечном сечении продольных микроканавок, несимметрично расположенных относительно плоскости продольного сечения ребра и имеющих различную ширину, причем ширина микроканавки тем меньше, чем ближе она к вершине ребра.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 2, 3, 4 и 5.

Фиг. 2 - поперечное сечение ребра с продольными микроканавками, имеющими в поперечном сечении форму равнобедренного или равностороннего треугольника, ориентированными так, что ось симметрии микроканавки перпендикулярна боковой стороне ребра.

Фиг. 3 - поперечное сечение ребра с продольными микроканавками, имеющими в поперечном сечении форму разностороннего треугольника.

Фиг. 4 - схема движения жидкости интенсифицированной теплообменной поверхности, вид сбоку.

Фиг. 5 - схема движения жидкости интенсифицированной теплообменной поверхности, вид сверху.

Где: 1 - микрооребренная поверхность; 2 - удлиненный мениск жидкости; 3 - «микрорегион»; 4 - межреберная впадина; 5 - ребро; 6 - боковые стороны ребра; 7 - микроканавки; 8 - артерия жидкости в микроканавке; 9 - линия контакта трех фаз; 10 - вершина ребра; 11 - центр межреберной впадины; L - длина артерии жидкости в продольной микроканавке; С - длина всей поверхности теплообмена с интенсивным капиллярным транспортом жидкости вдоль ребра.

Заявляемое изобретение содержит теплообменную поверхность 1 с продольными микроребрами. На каждой боковой стороне ребра 6 выполнено множество микроканавок 7. Продольные микроребра и микроканавки на поверхности нагрева выполняют с помощью различных технологий, например, фрезерованием.

Если на каждой боковой стороне ребра выполнено N продольных микроканавок, то количество линий контакта трех фаз на ребре составит 2+4N. Например, в случае N=3, количество линий контакта трех фаз на ребре = 14, т.е. возрастает в 7 раз. Площадь ребра, где происходит интенсивный теплообмен, возрастает, что повышает эффективность работы всей системы.

Наиболее оптимальной формой продольных микроканавок является треугольная, так как такая форма обеспечивает максимальную кривизну границы раздела газ - жидкость и капиллярный транспорт жидкости вдоль нагреваемой поверхности.

Причем в поперечном сечении микроканавка может иметь форму треугольника любого вида, остроугольного, тупоугольного и прямоугольного.

Ориентация канавок зависит от технологии их производства.

Канавки, имеющие в поперечном сечении форму равнобедренного или равностороннего треугольника, выполняют так, что ось симметрии располагается перпендикулярно к боковой стороне ребра, как показано на фиг. 2.

Микроканавки расположены несимметрично относительно плоскости продольного сечения ребра, чтобы в минимальной степени снижать теплопроводность вдоль основного ребра.

Микроканавки выполняют различной ширины, причем ширина микроканавок уменьшается по направлению к вершине ребра, т.е. чем ближе микроканавка к вершине ребра, тем меньше ее ширина.

Размер, ориентация и расположение микроканавок позволяют увеличить площадь тонкой пленки и, следовательно, увеличить длину границы раздела газ - жидкость и интенсивность испарения.

Заявляемое изобретение работает следующим образом. Поток сплошной тонкой пленки жидкости натекает на нагреваемую микрооребренную поверхность 1 с продольными ребрами 5. Жидкость интенсивно испаряется, протекая по поверхности, что приводит к росту кривизны мениска 2 в межреберных впадинах 4 вдоль поверхности и появлению перепада давления в пленке жидкости. Возникает эффект, широко используемый для транспорта теплоносителя в тепловых трубах с канавками [Heat Pipes / Ed. by D.A. Reay, P.A. Kew, R.J. McGlen. 6th Ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014, 288 p.].

Каждая продольная микроканавка 7 удерживает в себе жидкость и образует мениск 2, как показано на фиг. 1. Чем меньше размер микроканавки, тем выше кривизна границы раздела газ-жидкость и капиллярный транспорт жидкости вдоль нагреваемой поверхности.

Схема движения жидкости по предложенной поверхности показана на фиг. 4 и 5. Длина артерии жидкости в продольной микроканавке, L, зависит от многих факторов, главным из которых является плотность теплового потока.

Длина всей поверхности теплообмена с интенсивным капиллярным транспортом жидкости вдоль поверхности, С, ограничена и зависит от теплового потока, свойств жидкости и твердого тела, внешних факторов.

Длина поверхности теплообмена зависит от теплового потока, свойств жидкости и твердого тела, внешних факторов.

Применение предложенной поверхности будет иметь максимальный эффект в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах, когда общая длина теплообменной поверхности будет соизмерима с величинами L и С.

Таким образом, работами авторов было подтверждено, что соответствующим выбором структуры микрооребрения поверхности можно повысить производительность различных тонкопленочных испарительных систем охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования.

Интенсифицирующая теплообменная поверхность для удлинения динамического мениска, выполненная с продольными микроребрами треугольной формы, отличающаяся тем, что на продольных микроребрах с боковых сторон выполнено множество продольных микроканавок треугольной формы, несимметрично расположенных относительно плоскости продольного сечения ребра, при этом микроканавки выполнены различной ширины, причем ширина микроканавок уменьшается по направлению к вершине ребра.



 

Похожие патенты:

Радиатор // 2634167
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов.

Изобретение относится к изготовлению теплоизлучающих элементов. Способ включает размещение сетки на основе, изготовленной из первого металлического материала, и формирование на поверхности основы теплоизлучающей ячейки либо путем распыления гранулированных частиц, полученных из второго металлического материала, оксид которого имеет коэффициент отражения 70% и более, отличного от первого металлического материала, и частиц из оксида второго металлического материала, либо путем напыления металлических частиц, изготовленных из второго металлического материала, и их окисления, при этом формирование осуществляют таким образом, что зона контакта ячейки с основой составляет 1 мм2 и менее, после чего сетку удаляют.

Изобретение предназначено для осуществления реакций парового риформинга и может быть использовано в химической промышленности. Теплообменный реактор содержит множество байонетных труб (4), подвешенных к верхнему своду (2), простирающихся до уровня нижнего дна (3) и заключенных в кожух (1), содержащий впускной (Е) и выпускной (S) патрубки для дымовых газов.

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.

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.

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.

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 области трубопроводного транспорта углеводородных жидкостей. Противотурбулентная присадка с антикоррозионными свойствами содержит сверхвысокомолекулярный полимер альфа-олефинов, продукт конденсации высших аминов с числом атомов углерода 6-30 со степенью оксиалкилирования 2-50 при использовании в качестве оксиалкилирующего агента эпоксисоединения с числом атомов углерода 2-6 с двухосновной органической кислотой с числом атомов углерода 3-9, солвент.

Изобретение относится к смесительному устройству для водоочистных сооружений с открытым каналом. Устройство содержит основание (2) в виде пластины или полосы для крепления к стенке канала таким образом, чтобы во время эксплуатации нижняя поверхность (6) этой основной части была обращена к стенке канала, а верхняя поверхность (5) - от стенки канала.

Группа изобретений относится к подготовке высоковязких нефтепродуктов к транспортировке. Устройство содержит корпус со струеобразователем и электромагнит с токоподводом.

Изобретение относится к области микроструктурных технологий. Способ включает нанесение множества наноструктурных областей с гидрофобными свойствами на поверхность 2 микроканала.

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться в пластинчатых теплообменниках. Пластинчатый теплообменник содержит каналы потока, по которым первый и второй потоки текут в параллельном или встречном потоке, причем каналы потока сформированы для первой среды между отдельными пластинами (1), соединенными вместе для формирования в каждом случае пары (Р) пластин, и для второй среды между парами (Р) пластин, соединенных вместе для формирования пакета (S) пластин, отдельные пластины (1) в пределах входной области (Е) содержат направляющие лопатки (2), которые образованы штампованными выпуклостями и выступают в канал потока, причем направляющие лопатки (2) характеризуются дугообразной формой с участком (21) притока, выровненным, по существу, параллельно направлению основного потока, и участком (22) оттока, выровненным под углом к участку (21) притока.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. В пластинчатом теплообменнике, содержащем каналы потока, по которым первый и второй потоки текут в параллельном или встречном потоке, причем каналы потока сформированы для первой среды между отдельными пластинами (1), соединенными вместе для формирования в каждом случае пары (P) пластин, и для второй среды между парами (P) пластин, соединенных вместе для формирования пакета (S) пластин, отдельные пластины (1) в пределах входной области (E) содержат направляющие лопатки (2), которые образованы штампованными выпуклостями и выступают в канал потока, причем направляющие лопатки (2) характеризуются дугообразной формой с участком (21) притока, выровненным по существу параллельно направлению основного потока, и участком (22) оттока, выровненным под углом к участку (21) притока.
Изобретение относится к транспортировке высоковязких нефтепродуктов по трубопроводу. По длине трубопровода через равные интервалы на нефтепродукты воздействуют акустическими колебаниями с обеспечением образования пристеночного жидкого слоя нефтепродуктов.

Изобретение относится к устройству для спрямления потока (спрямления профиля скорости потока) в закрытых трубопроводах. Закрытый трубопровод для УФ-облучения содержит канал (1), в котором установлено устройство (6) для УФ-облучения, выше по потоку от устройства (6) для УФ-облучения расположено устройство (10) для спрямления потока, содержащее, по меньшей мере, один внутренний первый направляющий элемент (11) и, по меньшей мере, один внешний второй направляющий элемент (13), который расположен на некотором расстоянии от внешней стенки и выполнен в виде трубы, проходное сечение которой, расположенное выше по потоку, меньше ее проходного сечения, расположенного ниже по потоку.

Устройство предназначено для направления потока флюида. Устройство содержит полость для изменения давления, первый проточный канал, переходник с варьирующимся давлением и узел переключения потока в зависимости от давления, причем первый проточный канал функционально соединяет полость для изменения давления и переходник с варьирующимся давлением, причем узел переключения потока граничит с переходником с варьирующимся давлением.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Устройство регулирования среды содержит главный газоход для прохождения потока регулируемой среды, средство избирательного нагнетания подпиточной среды в главный газоход в двух направлениях и средства для выбора направления нагнетания, расположенные снаружи главного газохода.

Изобретение относится к теплопередающей трубе и крекинг-печи с использованием теплопередающей трубы. Теплопередающая труба содержит закрученную перегородку, расположенную на внутренней стенке трубы, причем закрученная перегородка простирается спирально вдоль осевого направления теплопередающей трубы. Теплопередающая труба оснащена несквозной выемкой, простирающейся от одного конца до другого конца закрученной перегородки вдоль осевого направления теплопередающей трубы. Теплопередающая труба и крекинг-печь согласно настоящему раскрытию имеют хороший эффект теплопередачи и малую потерю давления. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области электроники, в частности к испарительным системам охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования, таким, как микроканальные теплообменники и тепловые трубы, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах. Задачей изобретения является повышение эффективности испарения за счет создания микрооребренной поверхности со значительной площадью линий контакта трех фаз. Согласно изобретению на продольных ребрах интенсифицирующей микрооребренной теплообменной поверхности выполнено множество продольных микроканавок, несимметрично расположенных относительно плоскости продольного сечения ребра и имеющих различную ширину, причем ширина микроканавки тем меньше, чем ближе она к вершине ребра. 5 ил.

Наверх