СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ НА ГЛАДКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК B05D1/00 F28F13/00 

Описание патента на изобретение RU2542253C2

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°.

Похожие патенты RU2542253C2

название год авторы номер документа
ИНТЕНСИВНЫЙ КОНДЕНСАТОР ПАРА С КОНТРАСТНЫМ И ГРАДИЕНТНЫМ СМАЧИВАНИЕМ 2016
  • Кабов Олег Александрович
  • Марчук Игорь Владимирович
  • Люлин Юрий Вячеславович
RU2640888C1
Теплопередающая стенка теплообменника и способ формирования покрытия для интенсификации теплообмена теплопередающей стенки теплообменника 2021
  • Никифоров Алексей Александрович
  • Павленко Александр Николаевич
  • Куприков Михаил Юрьевич
  • Печеркин Николай Иванович
  • Катаев Андрей Иванович
  • Володин Олег Александрович
  • Миронова Ирина Борисовна
RU2793671C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРУЧЕЙКОВОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МИКРО- И МИНИКАНАЛАХ 2015
  • Кабов Олег Александрович
  • Чеверда Вячеслав Владимирович
  • Марчук Игорь Владимирович
  • Быковская Елена Фёдоровна
RU2629516C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАССЛОЕННОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МИКРО- И МИНИКАНАЛАХ 2022
  • Кабов Олег Александрович
  • Зайцев Дмитрий Валерьевич
  • Быковская Елена Фёдоровна
RU2796381C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ, УВЛЕКАЕМОЙ ПОТОКОМ ГАЗА ПОСРЕДСТВОМ МИКРОКАВЕРН 2023
  • Кабов Олег Александрович
  • Кочкин Дмитрий Юрьевич
  • Быковская Елена Фёдоровна
RU2821687C1
Способ формирования супергидрофобной структуры поверхности 2023
  • Чугунков Дмитрий Владимирович
  • Кузма-Кичта Юрий Альфредович
  • Иванов Никита Сергеевич
  • Сейфельмлюкова Галина Анатольевна
  • Герасименко Анна Евгеньевна
  • Журавлев Евгений Александрович
RU2805728C1
Способ формирования гидрофобной структуры поверхности теплообмена 2023
  • Чугунков Дмитрий Владимирович
  • Кузма-Кичта Юрий Альфредович
  • Иванов Никита Сергеевич
  • Сейфельмлюкова Галина Анатольевна
  • Герасименко Анна Евгеньевна
  • Журавлев Евгений Александрович
RU2803714C1
Способ теплообмена между жидкостью и поверхностью твердого тела 1984
  • Шичков Александр Николаевич
  • Петринчик Владимир Алексеевич
  • Овсянников Михаил Константинович
  • Шичков Николай Александрович
  • Ябко Семен Борисович
  • Чуманов Юлиан Михайлович
  • Гаврилов Юрий Сергеевич
SU1270531A1
КОТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ 1998
  • Ерошенко В.М.
  • Салехов Д.Л.
  • Салехов Л.Л.
  • Салехов Л.Т.
RU2135889C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РУЧЕЙКОВОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МИКРО- И МИНИ-КАНАЛАХ (ВАРИАНТЫ) 2014
  • Кабов Олег Александрович
  • Марчук Игорь Владимирович
  • Чеверда Вячеслав Владимирович
  • Люлин Юрий Вячеславович
RU2588917C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 542 253 C2

Реферат патента 2015 года 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.

Формула изобретения RU 2 542 253 C2

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°.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2542253C2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ И ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЯ 1990
  • Шишкин В.В.
RU2028432C1
Устройство для экструдирования пластифицированных порошков 1984
  • Степаненко Александр Васильевич
  • Ложечников Евгений Владимирович
  • Кулагин Виктор Ильич
  • Бендиков Александр Генадьевич
SU1154042A1
US 3613779 A, 19.10.1971
US 5814392 A, 29.09.1998
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРЕЛЬЕФА НА ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ИЗДЕЛИЙ 2010
  • Кузма-Кичта Юрий Альфредович
  • Лавриков Александр Владимирович
  • Паршин Николай Яковлевич
  • Турчин Валерий Николаевич
  • Игнатьев Дмитрий Николаевич
  • Штефанов Юрий Павлович
RU2433949C1
Способ получения покрытия на внутренней поверхности трубы и устройство для его осуществления 1984
  • Штутмаш Борис Аркадьевич
  • Леньков Виктор Алексеевич
  • Воронцов Анатолий Владимирович
  • Ляховский Вадим Владимирович
  • Комендантов Александр Степанович
  • Кузма-Кичта Юрий Альфредович
  • Хасанов Юрий Галиевич
SU1237310A1

RU 2 542 253 C2

Авторы

Кабов Олег Александрович

Гатапова Елизавета Яковлевна

Чиннов Евгений Анатольевич

Зайцев Дмитрий Валерьевич

Семенов Андрей Александрович

Даты

2015-02-20Публикация

2013-03-18Подача