Теплообменник, способ теплообмена с использованием теплообменника, система для транспортировки тепла, в которой используется теплообменник, и способ транспортировки тепла с использованием системы для транспортировки тепла
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменниках с использованием кипения теплоносителя. Теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять теплообмен за счет кипения жидкости при передаче тепла от источника тепла через теплопередающий элемент в эту жидкость, содержит на поверхности теплопередающего элемента, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающей ее кипение, первую теплопроводящую область и вторую теплопроводящую область, которые имеют вид чередующихся полос. Технический результат - повышение эффективности передачи тепла в теплообменнике за счет регулирования пузырькового кипения. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 9 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к теплообменнику, способу теплообмена с использованием теплообменника, системе для транспортировки тепла, в которой используется теплообменник, и способу транспортировки тепла с использованием системы для транспортировки тепла.
Уровень техники
Принимаются меры по дальнейшему повышению эффективности передачи тепла в теплообменнике, выполненном с возможностью осуществлять теплообмен с использованием кипения теплоносителя, за счет создания канавок и т.п. в теплопередающем элементе, обеспечивающем передачу тепла от источника тепла в теплоноситель.
Например, в опубликованной непроверенной заявке на патент Японии № 2008-157589 (JP2008-157589 А) описана трубка, имеющая внутреннюю поверхность, на которой создано множество канавок, и которая обеспечивает обмен теплом между протекающей в ней текучей средой и пространством снаружи нее. На боковых поверхностях и/или поверхности дна канавок в этой трубке созданы области с неровностями, усиливающие кипение текучей среды.
Сущность изобретения
Документ JP2008-157589 А относится к технологии усиления кипения текучей среды, служащей теплоносителем, за счет облегчения возникновения пузырьков путем создания канавок и неровностей на внутренней поверхности трубки, являющейся теплопередающим элементом.
При этом, согласно теоретическим расчетам, усиление кипения и управление поведением пузырьков, возникающих при кипении, - это меры, позволяющие повысить коэффициент теплопередачи при передаче тепла от источника тепла в теплоноситель для теплообменника, в котором используется кипение теплоносителя. Управление поведением пузырьков, например, представляет собой управление положениями, в которых возникают пузырьки, диаметром, количеством и частотой возникновения пузырьков и т.п.
Предложено много технологий усиления кипения, для примера можно привести описанную в документе JP2008-157589 А. Однако считается, что управление поведением пузырьков является трудной задачей, и повышение коэффициента теплопередачи, в том числе, за счет управления поведением пузырьков, исследовано в недостаточной степени.
Настоящим изобретением предлагаются теплообменник, позволяющий управлять поведением пузырьков, возникающих при кипении, и повысить коэффициент теплопередачи при передаче тепла от источника тепла в теплоноситель, способ теплообмена с использованием теплообменника, система для транспортировки тепла, в которой используется теплообменник, и способ транспортировки тепла с использованием системы для транспортировки тепла.
Настоящее изобретение представляет собой следующее.
Первый аспект настоящего изобретения относится к теплообменнику, выполненному с возможностью осуществлять теплообмен за счет кипения жидкости. Первый аспект настоящего изобретения включает теплопередающий элемент, который расположен между источником тепла и жидкостью, и через который тепло передается от источника тепла в жидкость. В теплопередающем элементе на поверхности, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающий ее кипение, с чередованием созданы первая теплопроводящая область и вторая теплопроводящая область, имеющие вид полос, и теплопроводность первой теплопроводящей области выше теплопроводности второй теплопроводящей области. Согласно первому аспекту, ширина полосы первой теплопроводящей области может составлять 2,5 мм или более и 7,5 мм или менее. Согласно первому аспекту, ширина полосы второй теплопроводящей области может составлять 0,1 мм или более и 1,0 мм или менее. Согласно первому аспекту, теплопроводность второго теплопроводящего материала второй теплопроводящей области может составлять 1/50 или менее от теплопроводности первого теплопроводящего материала первой теплопроводящей области. Согласно первому аспекту, второй теплопроводящий материал второй теплопроводящей области может обладать термостойкостью при температуре 120°С или более. Температура термостойкости означает температуру размягчения или температуру стеклования. Согласно первому аспекту, теплопередающий элемент может состоять из первого теплопроводящего материала, и вторая теплопроводящая область может состоять из второго теплопроводящего материала, внедренного в этот элемент на поверхности, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающий ее кипение. Согласно первому аспекту, теплообменник может включать канал подачи жидкости, через который жидкость подается на поверхность теплопередающего элемента, находящуюся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающий ее кипение; резервуар, в котором находится жидкость и кипит; и канал выпуска газа, через который из резервуара выпускается газ, возникающий при кипении жидкости. Второй аспект настоящего изобретения относится к способу теплообмена, включающему этап, на котором осуществляют теплообмен между источником тепла и жидкостью с использованием теплообменника, соответствующего первому аспекту. Согласно второму аспекту, температура в первой теплопроводящей области теплообменника может быть выше температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, и разность температуры в первой теплопроводящей области и температуры кипения жидкости может составлять 10°С или более. Согласно второму аспекту, разность температуры в первой теплопроводящей области теплообменника и температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, может составлять 50°С или менее. Согласно второму аспекту, жидкость может представлять собой воду или растворитель на основе фтора. Согласно второму аспекту, источником тепла может являться газ. Третий аспект настоящего изобретения относится к системе для транспортировки тепла, включающей теплообменник, соответствующий первому аспекту; конденсатор, включающий резервуар для конденсации газа, канал подачи газа, через который газ подается в этот резервуар, и канал выпуска жидкости, через который из этого резервуара выпускается жидкость, образовавшаяся в результате конденсации газа; канал протекания жидкости, связывающий канал выпуска жидкости в конденсаторе и канал подачи жидкости в теплообменнике; и канал протекания газа, связывающий канал выпуска газа в теплообменнике и канал подачи газа в конденсаторе. Четвертый аспект настоящего изобретения относится к способу транспортировки тепла, который выполняют с использованием системы для транспортировки тепла, соответствующей третьему аспекту. Согласно четвертому аспекту, температура в первой теплопроводящей области теплообменника может быть выше температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, и разность температуры в первой теплопроводящей области и температуры кипения жидкости может составлять 10°С или более. Согласно четвертому аспекту, разность температуры в первой теплопроводящей области теплообменника и температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, может составлять 50°С или более. Согласно четвертому аспекту, жидкость может представлять собой воду или растворитель на основе фтора. Согласно четвертому аспекту, источником тепла может являться газ.
При использовании теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, можно управлять поведением пузырьков, возникающих при кипении, и, в частности, можно усилить кипение и, соответственно, повысить коэффициент теплопередачи при передаче тепла от источника тепла в теплоноситель. Таким образом, коэффициент теплопередачи в теплообменнике, соответствующем настоящему изобретению, выше, чем при известном уровне техники.
Система для транспортировки тепла, в которой используется описанный выше теплообменник, соответствующий настоящему изобретению, позволяет транспортировать тепло теплоносителя в другие места с высокой эффективностью.
Краткое описание чертежей
Ниже особенности, преимущества, а также техническая и промышленная значимость изобретения будут рассмотрены на основе примерных вариантов его реализации со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные элементы обозначены аналогичными ссылочными номерами, и на которых:
на Фиг.1А приведен схематичный разрез, служащий для пояснения примерной конструкции теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;
на Фиг.1В приведено сечение плоскостью I-I, показанной на Фиг.1А;
на Фиг.2 схематично показана примерная конфигурация системы для транспортировки тепла, соответствующей настоящему изобретению;
на Фиг.3 в общих чертах показана конфигурация устройства для проведения эксперимента, использованного в примерах и сравнительном примере;
на Фиг.4 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь между шириной первой теплопроводящей области на поверхности кипения, состоящей из полос, и коэффициента h теплопередачи (относительное значение), которая получена в примерах;
на Фиг.5А приведена фотография, иллюстрирующая рост пузырьков, возникающих при кипении на поверхности кипения в Примере 3, с течением времени;
на Фиг.5В приведена фотография, иллюстрирующая рост пузырьков, возникающих при кипении на поверхности кипения в Примере 3, с течением времени;
на Фиг.5С приведена фотография, иллюстрирующая рост пузырьков, возникающих при кипении на поверхности кипения в Примере 3, с течением времени; и
на Фиг.5D приведена фотография, иллюстрирующая рост пузырьков, возникающих при кипении на поверхности кипения в Примере 3, с течением времени.
Подробное описание вариантов реализации изобретения
Теплообменник, соответствующий настоящему изобретению, представляет собой теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять теплообмен за счет кипения жидкости при передаче тепла от источника тепла через теплопередающий элемент в эту жидкость. На поверхности теплопередающего элемента, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающий ее кипение, с чередованием созданы первая теплопроводящая область (область с высокой теплопроводностью) и вторая теплопроводящая область (область с низкой теплопроводностью), которые имеют вид полос.
Ниже будут рассмотрены примерные варианты теплообменника, соответствующего настоящему изобретению.
Теплообменник
Теплообменник, соответствующий представленному варианту, осуществляет теплообмен за счет кипения жидкости при передаче тепла от источника тепла через теплопередающий элемент в эту жидкость, служащую теплоносителем. В теплопередающем элементе теплообменника, соответствующего представленному варианту, на его поверхности, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающий ее кипение, с чередованием созданы первая теплопроводящая область и вторая теплопроводящая область, которые имеют вид полос. Далее в этой спецификации часть поверхности теплопередающего элемента, на которой с чередованием созданы первая теплопроводящая область и вторая теплопроводящая область, имеющие вид полос, будет называться "поверхностью кипения".
Теплопередающий элемент
Теплопередающий элемент в теплообменнике, соответствующем представленному варианту, имеет поверхность кипения, находящуюся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, служащей теплоносителем, что вызывает кипение этой жидкости. Желательно, чтобы в теплопередающем элементе отношение площади поверхности кипения к общей площади поверхности со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, было как можно более высоким для обеспечения как можно более высокой эффективности теплообмена и устойчивого кипения. Отношение площади поверхности кипения к общей площади поверхности со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, в теплопередающем элементе может составлять, например, 80% или более, 90% или более, 95% или более, либо 100%.
Теплопередающий элемент имеет поверхность кипения, находящуюся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, и размеры, форму и т.п. этого элемента можно задавать подходящим образом в соответствии с размерами теплообменника, свойствами используемого источника тепла и т.п. Теплопередающий элемент, например, может иметь форму диска или трубки.
"Материалом теплопередающего элемента" будет считаться материал первой теплопроводящей области, отличающийся от материала второй теплопроводящей области. Материал второй теплопроводящей области и материал первой теплопроводящей области будут рассмотрены ниже.
Поверхность кипения
На поверхности кипения в теплопередающем элементе теплообменника, соответствующего представленному варианту, с чередованием созданы первая теплопроводящая область и вторая теплопроводящая область, которые имеют вид полос.
Первая теплопроводящая область
Первая теплопроводящая область может состоять из первого теплопроводящего материала, имеющего высокую теплопроводность. Теплопроводность первого теплопроводящего материала может составлять, например, 100 Вт/мК или более, 200 Вт/мК или более, 250 Вт/мК или более, 300 Вт/мК или более, либо 350 Вт/мК или более, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи. С другой стороны, нет необходимости чрезмерным образом увеличивать теплопроводность, и материал, имеющий чрезвычайно высокую теплопроводность, дорого стоит. С учетом таких аспектов, тепловодность первого теплопроводящего материала может составлять, например, 5000 Вт/мК или менее, 3000 Вт/мК или менее, 1000 Вт/мК или менее, 500 Вт/мК или менее, либо 400 Вт/мК или менее.
Такой первый теплопроводящий материал, например, может представлять собой материал на основе углерода, металл или полуметалл. Материал на основе углерода, например, может представлять собой углеродные нанотрубки, алмаз или искусственный графит. Металл, например, может быть представлять собой серебро, медь, золото или алюминий, либо, например, латунь. Полуметалл, например, может представлять собой кремний.
Предполагается, что в теплообменнике, соответствующем представленному варианту, диаметром пузырьков, возникающих при кипении жидкости, служащей теплоносителем, можно управлять, выбирая ширину полосы первой теплопроводящей области. То есть, ширину полосы первой теплопроводящей области желательно выбирать и задавать таким образом, чтобы обеспечить устойчивое возникновение пузырьков определенного диаметра.
В представленном варианте оптимальное значение ширины области с высокой теплопроводностью можно получить из уравнения Фритца на основе равновесия силы поверхностного натяжения и подъемной силы, действующей на пузырьки. То есть, при подстановке в приведенное далее уравнение Фритца значений поверхностного натяжения σ жидкости, используемой в качестве теплоносителя, краевого угла θ на поверхности кипящей жидкости, плотности ρl жидкости, плотности ρg газа, когда эта жидкость кипит, и ускорения g свободного падения можно определить диаметр пузырька, на который действует подъемная сила, соизмеримая с силой поверхностного натяжения, то есть, диаметр d пузырька, отрывающегося от поверхности кипения.
D=0,209θ·[σ/{g(ρl - ρg)}]1/2
В теплообменнике, соответствующем представленному варианту, если ширина полосы первой теплопроводящей области на поверхности кипения задана равной или близкой диаметру d отрывающегося пузырька, вычисленного при помощи уравнения Фритца, можно увеличить коэффициент теплопередачи теплообменника.
Так как диаметр d отрывающегося пузырька, согласно уравнению Фритца, меняется в зависимости от типа жидкости, используемой в качестве теплоносителя, типа первого теплопроводящего материала поверхности кипения, условий теплообмена и т.п., трудно предложить конкретный рекомендуемый диапазон значений ширины первой теплопроводящей области, который будет подходящим для всех случаев.
Если теплообмен происходит при нормальном давлении, ширина полосы первой теплопроводящей области может составлять, например, 1,0 мм или более, 1,2 мм или боле, 1,4 мм или более, 1,6 мм или более, либо 1,8 мм или более, и может составлять, например, 10,0 мм или менее, 9,5 мм или менее, 9,0 мм или менее, либо 8,5 мм или менее.
Когда используется теплоноситель, обычно применяемый в теплообменнике на основе скрытой теплоты парообразования, например, вода, растворитель на основе фтора и т.п., если ширина полосы первой теплопроводящей области задана равной 2,5 мм или более и 7,5 мм или менее, обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи. Ширина полосы первой теплопроводящей области может составлять, например, 2,6 мм или более, 2,7 мм или более, 2,8 мм или более, 2,9 мм или более, либо 3 мм или более, и может составлять, например, 7,0 мм или менее, 6,0 мм или менее, 5,0 мм или менее, 4,5 мм или менее, либо 4,0 или менее.
Ширина полосы первой теплопроводящей области, образующей поверхность кипения в теплообменнике, соответствующей представленному варианту, может быть, по существу, одной и той же на всей этой поверхности в целом по соображениям обеспечения устойчивого кипения при высоком коэффициенте теплопередачи и соответствующего максимально возможного увеличения эффективности теплообмена.
Вторая теплопроводящая область
Вторая теплопроводящая область может состоять из второго теплопроводящего материала, имеющего низкую теплопроводность. Теплопроводность второго теплопроводящего материала может составлять, например, 1/50 или менее, 1/100 или менее, либо 1/200 или менее от теплопроводности первого теплопроводящего материала.
Если говорить более конкретно, теплопроводность второго теплопроводящего материала может составлять, например, 10 Вт/мК или менее, 5 Вт/мК или менее, 1 Вт/мК или менее, 0,5 Вт/мК или менее, либо 0,3 Вт/мК или менее. С другой стороны, если это значение является чрезмерно низким, может ухудшиться механическая прочность второго теплопроводящего материала, поэтому его теплопроводность может составлять, например, 0,025 Вт/мК или более, 0,03 Вт/мК или более, 0,04 Вт/мК или более, либо 0,05 Вт/мК или более.
Второй теплопроводящий материал применяется при температуре, больше или равной температуре кипения жидкости, используемой в качестве теплоносителя, при давлении, имеющемся внутри теплообменника. Таким образом, желательно иметь достаточную долговечность при этой температуре. Поэтому второй теплопроводящий материал должен обладать термостойкостью при температуре, в предпочтительном случае составляющей 120°С или более, либо 150°С или более. Это значение вычисляется, исходя из предположения, что в качестве теплоносителя используется вода, и работа выполняется при нормальном давлении со степенью перегрева, заданной на уровне 20°С.
Второй теплопроводящий материал, имеющий такую низкую теплопроводность и такую высокую термостойкость, например, может представлять собой стекло, оксид металла или полуметалла, дерево, натуральный или синтетический полимер. Стекло, например, может представлять собой известково-натриевое стекло, боросиликатное стекло или кварцевое стекло. Оксид металла или полуметалла, например, может представлять собой хрусталь. Синтетический полимер, например, может представлять собой полиэтилен, полипропилен, эпоксидную смолу или силикон.
Ширина полосы второй теплопроводящей области в теплообменнике, соответствующем представленному варианту, может составлять, например, 0,01 мм или более, 0,02 мм или более, 0,04 мм или более, 0,06 мм или более, либо 0,08 мм или более, чтобы обеспечить значительную разницу в способности передавать тепло у второй теплопроводящей области и первой теплопроводящей области и эффективным образом управлять диаметром пузырьков, возникающих при кипении на полосе первой теплопроводящей области. С другой стороны, если ширина полосы второй теплопроводящей области чрезмерно увеличивается, коэффициент теплопередачи на поверхности кипения в целом может снизиться, и будет трудно осуществлять теплообмен эффективным образом. Поэтому ширина полосы второй теплопроводящей области может составлять, например, 2,0 мм или менее, 1,8 мм или менее, 1,6 мм или менее, 1,4 мм или менее, либо 1,2 мм или менее.
Когда применяется обычный теплоноситель, например, вода или растворитель на основе фтора, ширина полосы второй теплопроводящей области может составлять, например, 0,1 мм или более, 0,2 мм или более, либо 0,3 мм или более, и может составлять, например, 1,0 мм или менее, 0,8 мм или менее, либо 0,6 мм или менее.
Ширина полосы второй теплопроводящей области, образующей поверхность кипения в теплообменнике, соответствующем представленному варианту, может быть, по существу, одной и той же на всей этой поверхности в целом по соображениям максимально возможной эффективности теплообмена и обеспечения устойчивого кипения.
Чтобы получить значительную разницу в способности к передаче тепла у второй теплопроводящей области и первой теплопроводящей области, в предпочтительном случае желательно, чтобы вторая теплопроводящая область состояла из второго теплопроводящего материала, который внедрен в поверхность кипения в теплопередающем элементе, состоящем из первого теплопроводящего материала. При этом глубина внедрения при создании второй теплопроводящей области, представляющая собой расстояние от поверхности кипения в теплопередающем элементе, может составлять, например, 0,1 мм или более, 0,2 мм или более, либо 0,3 мм или более. С другой стороны, если глубина второй теплопроводящей области чрезмерно увеличивается, может снизиться коэффициент теплопередачи на всей поверхности кипения в целом, и может быть трудно осуществлять теплообмен эффективным образом. Поэтому глубина второй теплопроводящей области может составлять, например, 1,0 мм или менее, 0,8 мм или менее, либо 0,6 мм или менее.
Форма поверхности кипения
Поверхность кипения может представлять собой гладкую плоскую поверхность или неплоскую поверхность с канавками и/или неровностями. Если поверхность кипения имеет структуру в виде полос, включающую описанные выше первую теплопроводящую область и вторую теплопроводящую область, а также является неплоской из-за наличия канавок и/или неровностей, можно получить преимущества, обеспечиваемые одновременным наличием этих двух характеристик, и можно обеспечить максимально высокий коэффициент теплопередачи.
Другие компоненты теплообменника
Кроме описанного выше теплопередающего элемента, другие части теплообменника, соответствующего представленному варианту, могут быть теми же, что и в известных теплообменниках.
Теплообменник, соответствующий представленному варианту, может включать, например, канал подачи жидкости, через который жидкость, служащая теплоносителем, подается на поверхность кипения, резервуар, в котором находится жидкость и кипит, и канал выпуска газа, через который из этого резервуара выпускается газ, возникающий при кипении жидкости.
На Фиг.1А и 1В показана примерная конструкция теплообменника, соответствующего представленному варианту. На Фиг.1А приведен разрез теплообменника 100 при сечении вертикальной плоскостью, и на Фиг.1В приведено сечение плоскостью I-I, показанной на Фиг.1А.
Теплообменник 100, показанный на Фиг.1А и 1В, включает теплопередающий элемент 15, канал 30 подачи жидкости, резервуар 20 и канал 40 выпуска газа. В этой спецификации "резервуар" может представлять собой камеру, отделенную окружающими ее разделительными стенками, или область пространства, не имеющую четких границ.
Теплопередающий элемент 15 имеет такую конструкцию, при которой вторая теплопроводящая область 12 внедрена в материал первой теплопроводящей области 11. Таким образом, на стороне теплопередающего элемента 15, приходящей в контакт с жидкостью 50, имеется поверхность 10 кипения, на которой с чередованием созданы первая теплопроводящая область 11 и вторая теплопроводящая область 12, имеющие вид полос.
Жидкость, служащая теплоносителем, подается на поверхность 10 кипения, имеющуюся в теплопередающем элементе 15, через канал 30 подачи жидкости. Жидкость кипит на поверхности 10 кипения из-за передачи тепла от источника тепла (не показан) через теплопередающий элемент 15, и возникают пузырьки 51, диаметром которых управляют за счет структуры этой поверхности в виде полос. Пузырьки 51 поднимаются в жидкости 50, переходят в резервуаре 20 в газообразную фазу в виде пара 52 и выпускаются из канала 40 выпуска газа.
Способ теплообмена
Способ теплообмена, соответствующий представленному варианту, можно выполнять с использованием описанного выше теплообменника, соответствующего представленному варианту. Температура в первой теплопроводящей области теплообменника может быть задана выше температуры кипения жидкости, служащей теплоносителем, при давлении, имеющемся внутри теплообменника. Разность температуры в первой теплопроводящей области и температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри теплообменника, может составлять, например, 10°С или более, 15°С или более, либо 20°С или более, и может составлять, например, 50°С или менее, 45°С или менее, либо 40°С или менее.
Жидкость, служащая теплоносителем, например, может представлять собой воду, растворитель на основе фтора, аммиак, ацетон или метанол. Из них предпочтительными являются вода или растворитель на основе фтора.
Источником тепла могут быть газ, жидкость или твердотельный элемент, либо в комбинации два или все из них. В качестве примеров газа можно привести воздух, водяной пар, аммиак, фтороводороды и углекислый газ. В качестве примеров жидкости можно привести воду, солевой раствор, масло и Dowtherm A®. В качестве примера твердотельного элемента можно привести нагреватель, кроме того, можно использовать охладитель воздуха, предназначенный для охлаждения тепловых отходов.
В качестве источника тепла в способе теплообмена, соответствующем представленному варианту, используется газ.
В качестве источника тепла в представленном варианте может использоваться любой газ, нагреваемый определенным образом. Однако по соображениям эффективного использования ранее сброшенного тепла, в качестве источника тепла в предпочтительном случае используются, например, выхлопной газ, выпускаемый из двигателя внутреннего сгорания, отходящий газ, выпускаемый из бойлера, горячая вода, выпускаемая из заводской установки и т.п. Особенно предпочтительным является выхлопной газ, выпускаемый из двигателя внутреннего сгорания, так как его легко получить, и он выпускается в большом количестве и имеет высокую температуру.
В способе теплообмена, соответствующем представленному варианту, источник тепла может циркулировать таким образом, что он контактирует с поверхностью на той стороне теплопередающего элемента 15, которая не контактирует с жидкостью 50, находящейся в теплообменнике 100, показанном на Фиг.1А и 1В. В результате тепло от источника тепла может передаваться в жидкость 50 через теплопередающий элемент 15.
Система для транспортировки тепла
Система для транспортировки тепла, соответствующая представленному варианту, включает теплообменник, соответствующий представленному варианту; конденсатор, включающий резервуар для конденсации газа, канал подачи газа, через который в этот резервуар подается газ, и канал выпуска жидкости, через который из этого резервуара выпускается жидкость, образовавшаяся в результате конденсации газа; канал протекания жидкости, связывающий канал выпуска жидкости в конденсаторе и канал подачи жидкости в теплообменнике, и канал протекания газа, связывающий канал выпуска газа в теплообменнике и канал подачи газа в конденсаторе.
На Фиг.2 схематично показана примерная конфигурация системы для транспортировки тепла, соответствующей представленному варианту.
Система 500 для транспортировки тепла, показанная на Фиг.2, включает теплообменник 100, соответствующий представленному варианту, конденсатор 200, канал 32 протекания жидкости и канал 42 протекания газа.
Конденсатор 200 включает резервуар 210 для конденсации газа, канал 41 подачи газа, через который в этот резервуар подается газ, и канал 31 выпуска жидкости, через который из этого резервуара выпускается жидкость, образовавшаяся в результате конденсации газа. Канал 32 протекания жидкости связывает канал 31 выпуска жидкости, имеющийся в конденсаторе 200, и канал 30 подачи жидкости, имеющийся в теплообменнике 100. Канал 42 протекания газа связывает канал 40 выпуска газа, имеющийся в теплообменнике 100, и канал 41 подачи газа, имеющийся в конденсаторе 200.
Способ транспортировки тепла
Способ транспортировки тепла, соответствующий представленному варианту, выполняют с использованием описанной выше системы для транспортировки тепла, соответствующей представленному варианту, и температурой в первой теплопроводящей области теплообменника можно управлять таким образом, чтобы эта температура на 10°С - 50°С превышала температуру кипения жидкости, служащей теплоносителем, при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника. Температуру в первой теплопроводящей области теплообменника можно задавать выше температуры кипения жидкости, служащей теплоносителем, при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника. Разность температуры в первой теплопроводящей области и температуры кипения жидкости, служащей теплоносителем, при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, может составлять, например, 10°С или более, 15°С или более, либо 20°С или более, и может составлять, например, 50°С или менее, 45°С или менее, либо 40°С или менее.
Служащая теплоносителем жидкость и источник тепла, которые используются в способе транспортировки тепла, соответствующем представленному варианту, могут быть теми же, что и описанные выше для операции теплообмена.
Чтобы подтвердить эффект от применения теплообменника, соответствующего представленному варианту, был создан и опробован опытный образец устройства для проведения эксперимента, имеющего пластину, моделирующую поверхность кипения в теплообменнике.
На Фиг.3 в общих чертах показана конфигурация устройства для проведения эксперимента. Устройство для проведения эксперимента, показанное на Фиг.3, включает емкость 3 для воды, имеющую нижнюю пластину 1 и крышку 2, а также поверхность 10 кипения. Внутренний диаметр емкости 3 для воды составляет 100 мм, и диаметр поверхности 10 кипения составляет 40 мм. Поверхность 10 кипения связана с нагревателем 4 и открыта с той стороны нижней пластины 1, которая обращена во внутреннее пространство емкости 3 для воды. Нагреватель 4 приводится в действие при помощи источника 5 питания. Емкость 3 для воды заполнена водой 60, которая представляет собой жидкость, служащую теплоносителем. Когда воду 60 нагревают при помощи нагревателя 4 через поверхность 10 кипения, она закипает на этой поверхности, и возникают пузырьки 61.
Сравнительный пример 1
Поверхность 10 кипения представляла собой зеркальную поверхность меди, степень перегрева ΔTsat поверхности 10 кипения была задана равной 30°С, и эксперимент по исследованию кипения проводился при нормальном давлении.
От поверхности 10 кипения была проведена воображаемая прямая линия, перпендикулярная этой поверхности и проходящая из ее центра. На этой воображаемой прямой линии были заданы четыре точки измерения, расстояние x от которых до точки контакта с поверхностью 10 кипения составляло 2 мм, 4 мм, 6 мм и 8 мм. Были получены температуры Т в этих четырех точках и прямая линия для градиента dT/dx температуры. В качестве температуры Tw поверхности 10 кипения была задана температура в точке х=0, определенная путем экстраполяции с использованием полученной прямой линии.
Вне зависимости от указанного выше, температура Т∞ воды 60 в целом, которая находится в емкости 3 для воды, была получена как среднее значение температур, измеренных в двух точках измерения.
На основе указанных выше значений, в качестве эталонного значения "1" для проведения сравнения был задан коэффициент h теплопередачи, полученный путем вычисления по следующему уравнению:
h=q/ΔT
q=-λdT/dx
где λ - теплопроводность меди, 391 Вт/мК
ΔT=Tw - Т∞
Степень ΔTsat перегрева представляла собой разность температуры Tw поверхности 10 кипения и температуры Tsat парообразования и была вычислена по следующему уравнению:
ΔTsat=Tw - Тsat
Пример 1
С одной стороны на поверхности медной пластины, имеющей диаметр 40 мм, путем фрезерования были созданы канавки, имеющие ширину 0,5 мм и глубину 0,5 мм и прямоугольную форму в поперечном сечении, таким образом, чтобы получить полосы, расположенные с интервалом 2,0 мм.
Указанные выше канавки были заполнены отверждаемой эпоксидной смолой, состоящей из двух жидких компонентов, после чего последовательно были выполнены отверждение при комнатной температуре и дополнительное отверждение, в результате чего была получена поверхность 10 кипения, на которой чередуются области из меди шириной 1,5 мм и области из эпоксидной смолы шириной 0,5 мм, имеющие вид полос. Теплопроводность эпоксидной смолы в области из эпоксидной смолы составляла 0,1 Вт\мК.
Степень ΔTsat перегрева поверхности 10 кипения была задана равной 30°С, эксперимент по исследованию кипения проводился при нормальном давлении, и коэффициент h теплопередачи был получен таким же образом, что и в Сравнительном примере 1, отличием было то, что использовалась поверхность 10 кипения. Величина полученного коэффициента h теплопередачи составила 0,65 относительно коэффициента h теплопередачи в Сравнительном примере 1.
Примеры 2-7
Таким же образом, что и в Примере 1 были созданы поверхности 10 кипения, состоящие из полос и имеющие другую ширину области из меди, отличием было то, что интервалы между канавками для полос менялись, как показано в Таблице 1.
Степень перегрева ΔTsat поверхности 10 кипения была задана равной 30°С, эксперимент по исследованию кипения проводился при нормальном давлении, и коэффициент h теплопередачи вычислялся таким же образом, что и в Сравнительном примере 1, отличием было то, что использовались поверхности 10 кипения. Полученные в результате вычислений коэффициенты h теплопередачи указаны в Таблице 1 и на Фиг.4 относительно коэффициента h теплопередачи в Сравнительном примере 1.
Таблица 1
| Структура поверхности кипения | Коэффициент h теплопередачи (относительное значение) | |||
| Интервал, мм | Ширина первой теплопроводящей области, мм | Ширина второй теплопроводящей области, мм | ||
| Сравнительный пример 1 | Зеркальная поверхность | 1 | ||
| Пример 1 | 2,0 | 1,5 | 0,5 | 0,65 |
| Пример 2 | 3,0 | 2,5 | 0,5 | 2,24 |
| Пример 3 | 4,0 | 3,5 | 0,5 | 2,35 |
| Пример 4 | 5,0 | 4,5 | 0,5 | 1,94 |
| Пример 5 | 6,0 | 5,5 | 0,5 | 1,71 |
| Пример 6 | 7,0 | 6,5 | 0,5 | 1,35 |
| Пример 7 | 8,0 | 7,5 | 0,5 | 1,12 |
На Фиг.4 показаны значения диаметра d отрывающегося пузырька, определенного при помощи уравнения Фритца. Было подтверждено, что диаметр d отрывающегося пузырька, определенный при помощи уравнения Фритца, имел величину, близкую к ширине первой теплопроводящей области в Примерах 2 и 3, в которых имелся чрезвычайно высокий коэффициент теплопередачи.
На Фиг.5А-5D приведены фотографии, иллюстрирующие рост пузырьков, возникающих при кипении воды на поверхности кипения в Примере 3, с течением времени. Фиг.5А, 5В, 5С, 5D приведены в хронологическом порядке, интервал времени между фотографиями составлял приблизительно от 10 миллисекунд до 30 миллисекунд. Если рассматривать Фиг.5А, 5В, 5С, 5D в указанном порядке, можно увидеть, что на поверхности 10 кипения, на которой с чередованием созданы широкая и темная первая теплопроводящая область и узкая и светлая вторая теплопроводящая область, имеющие вид полос, с течением времени растут пузырьки, которые, как оказалось, имеют, по существу, круглую форму и градацию светлых и темных тонов.
Как показано на Фиг.5А, возникло множество пузырьков с небольшим диаметром. На Фиг.5А можно видеть небольшое количество пузырьков с большим диаметром. Предполагается, что они представляют собой объединение множества пузырьков с небольшим диаметром. С течением времени, как показано на Фиг.5В и 5С, диаметр пузырьков увеличивается. Все пузырьки, показанные на этих фотографиях, имели диаметры меньше ширины первой теплопроводящей области. Вплоть до этого момента времени диаметры пузырьков сильно различались.
Как показано на Фиг.5D, диаметры пузырьков увеличивались и дальше. При этом, как можно видеть, нет пузырьков, которые выросли до диаметра, превышающего ширину первой теплопроводящей области, осуществлялось управление максимальным диаметром пузырьков, и диаметр пузырьков различался мало. Предполагается, что управление диаметром пузырьков является результатом определенной структуры поверхности кипения, на которой с чередованием созданы первая теплопроводящая область и вторая теплопроводящая область, имеющие вид полос.
Как показано на Фиг.5D, в дополнение к большим пузырькам, имеющим диаметр, приблизительно равный ширине первой теплопроводящей области, также наблюдалось множество пузырьков с чрезвычайно маленьким диаметром. Они представляли собой только что возникшие свежие пузырьки, которые, как предполагается, после этого выросли.
Если обратиться к Фиг.5А-5D, можно видеть, что при использовании теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, можно управлять положениями, в которых возникают пузырьки, а также диаметром, количеством и частотой возникновения этих пузырьков. Кроме того, если обратиться к Фиг.4, можно понять, что имеется возможность повышения коэффициента теплопередачи при теплообмене за счет подходящего управления такими параметрами пузырьков.
1. Теплообменник, выполненный с возможностью осуществления теплообмена за счет кипения жидкости и содержащий:
теплопередающий элемент, который расположен между источником тепла и жидкостью и через который тепло передается от источника тепла к жидкости,
причем в теплопередающем элементе на поверхности, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающей ее кипение, с чередованием расположены первая теплопроводящая область и вторая теплопроводящая область, имеющие вид полос, и теплопроводность первой теплопроводящей области выше теплопроводности второй теплопроводящей области.
2. Теплообменник по п.1, в котором ширина полосы первой теплопроводящей области составляет 2,5 мм или более и 7,5 мм или менее.
3. Теплообменник по п.1 или 2, в котором ширина полосы второй теплопроводящей области составляет 0,1 мм или более и 1,0 мм или менее.
4. Теплообменник по п.1 или 2, в котором теплопроводность второго теплопроводящего материала второй теплопроводящей области составляет 1/50 или менее от теплопроводности первого теплопроводящего материала первой теплопроводящей области.
5. Теплообменник по п.1 или 2, в котором второй теплопроводящий материал второй теплопроводящей области обладает термостойкостью при температуре 120°С или более.
6. Теплообменник по п.1 или 2, в котором теплопередающий элемент выполнен из первого теплопроводящего материала, а вторая теплопроводящая область выполнена из второго теплопроводящего материала, внедренного в этот элемент на поверхности, находящейся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающей ее кипение.
7. Теплообменник по п.1 или 2, дополнительно содержащий:
канал подачи жидкости, через который жидкость подается на поверхность теплопередающего элемента, находящуюся со стороны, приходящей в контакт с жидкостью, вызывающую ее кипение;
резервуар, в котором находится жидкость и кипит; и
канал выпуска газа, через который из резервуара выпускается газ, возникающий при кипении жидкости.
8. Способ теплообмена, при котором осуществляют теплообмен между источником тепла и жидкостью посредством использования теплообменника по п.1 или 2.
9. Способ по п.8, при котором температура в первой теплопроводящей области теплообменника выше температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, и разность температуры в первой теплопроводящей области и температуры кипения жидкости составляет 10°С или более.
10. Способ по п.9, при котором разность температуры в первой теплопроводящей области теплообменника и температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, составляет 50°С или менее.
11. Способ по п.8, при котором жидкость представляет собой воду или растворитель на основе фтора.
12. Способ по п.8, при котором источником тепла является газ.
13. Система для транспортировки тепла, содержащая:
теплообменник по п.7;
конденсатор, включающий в себя резервуар для конденсации газа, канал подачи газа, через который газ подается в указанный резервуар, и канал выпуска жидкости, через который из указанного резервуара выпускается жидкость, образовавшаяся в результате конденсации газа;
канал протекания жидкости, связывающий канал выпуска жидкости в конденсаторе и канал подачи жидкости в теплообменнике; и
канал протекания газа, связывающий канал выпуска газа в теплообменнике и канал подачи газа в конденсаторе.
14. Способ транспортировки тепла, который выполняют с использованием системы для транспортировки тепла по п.13.
15. Способ по п.14, при котором температура в первой теплопроводящей области теплообменника выше температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, и разность температуры в первой теплопроводящей области и температуры кипения жидкости составляет 10°С или более.
16. Способ по п.15, при котором разность температуры в первой теплопроводящей области теплообменника и температуры кипения жидкости при давлении, имеющемся внутри этого теплообменника, составляет 50°С или более.
17. Способ по любому из пп.14-16, при котором жидкость представляет собой воду или растворитель на основе фтора.
18. Способ по любому из пп.14-16, при котором источником тепла является газ.
