СПОСОБ ПАРЦИАЛЬНОГО КИПЯЧЕНИЯ В МИНИ- И МИКРОКАНАЛАХ
METHOD OF PARTIAL BOILING IN MINI- AND MICROCHANNELS

Данная заявка претендует на преимущество приоритета по отношению к предварительной заявке под серийным номером 60/624860 от 3 ноября 2004 года.
h
h
h
В целом это изобретение связано с методами, устройствами и системами (где основой системы являются устройства, содержащие жидкость или жидкости, и в дальнейшем может характеризоваться такими параметрами как давление, температура и т.д.), в которых имеет место частичное кипение жидкости в миниканале или микроканале. Один из размеров миниканала составляет, по крайней мере, 10 мм или меньше. Один из размеров микроканала равен, по крайней мере, 2 мм или меньше, а в некоторых вариантах конструкции в пределах от 0,01 до 2 мм. Несмотря на то что мини- и микроканалы обычно имеют размеры, указанные выше, в некоторых конструкциях диаметр микроканала составляет D<2 мм, где D - гидравлический диаметр, а миниканал определяется как канал, имеющий величину D от 2 до 10 мм.
Теория частичного кипения
Известно, что кипение является высокоэффективным механизмом передачи тепла, который обеспечивает высокую плотность теплового потока на основе площади поверхности и объема. Существует несколько режимов кипения, включая поток с низким массовым паросодержанием потока, пузырьковое кипение, пленочное кипение, а также кипение в переходном режиме. Пузырьковое кипение в основном находит свое применение в промышленных приложениях. Кипение может происходить на поверхности теплопередачи как в потоке жидкости (кипение в потоке), так и в бассейне для жидкости (кипение в большом объеме), или в объеме жидкости (вскипание - мгновенное (взрывное) испарение). Посредством фазового перехода (превращения) жидкости, кипение в потоке может достигнуть изотермического стока теплоты во время фазового перехода. Кипение в потоке может достигнуть очень высоких коэффициентов конвективной теплопередачи и вместе с изотермической жидкостью позволяет границе (стенке) теплопередачи оставаться при квазипостоянной температуре вдоль направления потока. Такая теплопередача является желательной ситуацией для различных приложений для тепловых, ядерных и химических процессов.
Во многих химических процессах, например, в экзотермическом химическом реакторе, скорость реакции сильно зависит от локальной температуры. Оптимальная температура по всей зоне реакции часто приводит к максимальному выходу продуктов реакции, химическому превращению и желаемой избирательности. Таким образом, теплопередача при кипении используется при управлении технологическим процессом или терморегулировании различных реакций для поддержания изотермических тепловых условий, при которых экзотермическая реакция(и) выделяет тепло. По сравнению с управлением процессом кипения, система охлаждения путем однофазного химического превращения жидкости обычно не достигает сходных изотермических граничных условий для реакций без больших скоростей потока, которые необходимы для поддержания потока при постоянной температуре и увеличения конвективного теплового потока.
До настоящего времени кипение в микроканалах не использовалось для терморегулирования и контроля процессов химических реакций в микроканалах из-за различных предполагаемых или практических технических проблем, включая следующие:
1. Кипение потока в микроканалах связано с такими режимами (формами) потока, которые отличаются от тех, которые были обнаружены в обычных каналах, где пузырьки пара меньше диаметра канала, а стенка канала обычно хорошо смочена жидкостью. Гидравлический диаметр микроканалов обычно меньше характерного диаметра пузырьков пара, поэтому из-за капиллярного эффекта паровые и жидкостные пробки последовательно стекаются друг за другом к определенному участку канала (фиг.1). Методы прогнозирования и критерии проектирования для такого режима (формы) потока определены не очень хорошо.
2. Другие желаемые режимы потока, такие как аэрированный поток и кольцевой режим потока, могут быть получены только в очень узком диапазоне параметров потока или при ограниченных условиях работы, или могут вообще отсутствовать.
3. Из-за наличия паровых пробок может возникнуть локальный участок перегрева стенки и, как следствие, неоднородность температуры вследствие низкой скорости теплообмена между паром и стенкой.
4. Из-за наличия паровых пробок при кипении в микроканале может возникнуть сильный поток и колебание давления. Сразу же может возникнуть нестабильность всей системы охлаждения.
5. Кризис теплопередачи может произойти даже при слабой тепловой нагрузке ввиду большой разницы между коэффициентами теплопередачи при испарении и при конвекции однофазного пара. Это характеризуется критическим тепловым потоком (КТП), который может быть очень низким (слабым), и привести к неизотермическому теплообмену (фиг.1).
6. Распределение и разветвление потока в наборах микроканалов с двухфазным потоком затруднены, тогда как для желаемой производительности процесса обычно требуется большое количество интегрированных каналов.
Данный процесс изобретения дает возможность использовать кипение потока в микроканалах, интегрированных в единичные операции, для реализации устойчивого изотермического граничного условия для экзотермической реакции. Таким образом, есть возможность для теплового управления (контроля) процессом реакции для работы при оптимальных условиях.
eq
Термин «равновесное массовое паросодержание X», также известный как качество или X, определяется следующим образом:
где z[м] = расстояние от входа канала в направлении потока воды (м);
2
q'' [Вт/м] = средний тепловой поток у стенки канала;
Р[м] = периметр канала, перпендикулярный по отношению к направлению потока;
2
А[м] = площадь поперечного сечения канала, перпендикулярная по отношению к направлению потока;
2
G[кг/м·с] = скорость потока массы через площадь поперечного сечения канала, перпендикулярную по отношению к потоку;
fg
h[Дж/кг] = скрытая теплота парообразования.
Уравнение (1) предполагает, что:
eq
eq
eq
1) Точка начала пузырькового кипения (НПК) при X=0 находится точно прямо на входе канала. На практике, поток воды на входе будет слегка недогретым из-за неконденсируемого (неспособного конденсироваться) газа. По существу, местоположение X=0 не будет находиться в z=0, где z представляет собой направление потока и z=L (где L - длина микроканала кипения) представляет собой конец микроканала. С другой стороны, поток воды на входе мог бы быть также перегретым (X>0) в результате предварительного нагревания, чтобы поддерживать температуру воды перед ее входом в канал;
w
sat
2) Перегрев стенки T-T является довольно большим для того, чтобы начать кипение около входа в микроканал, который составляет первые 5% его длины;
3) q'' - константа вдоль края канала и вдоль направления потока.
Для того чтобы определить падение давления в канале, необходимо знать локальное массовое паросодержание конвекционного потока. Зная изменение истинного объемного паросодержания и степень сухости влажного пара вдоль длины канала, падение двухфазного давления в канале можно рассчитать с помощью модели отделенного потока Локхарта [Lockhart] и Мартинелли [Martinelli] (Lockhart R.W. and Martinelli R.C., "Proposed Correlation of Data for Isothermal Two-Phase, Two-Component Flow in Pipes" [Р.В.Локхарт и Р.К.Мартинелли «Предлагаемая корреляция данных для изотермического, двухфазного, двухкомпонентного потока в трубах»] Chemical Engineering Progress 45(1), стр.39-40, 1949). Это уравнение, приведенное ниже, разбивает падение давления на потери из-за трения и ускорение по членам процесса кипения,
h
D[m] = гидравлический диаметр канала;
lo
f[-] = коэффициент трения канала, когда полная массовая скорость потока соответствует жидкости;
1
f[-] = коэффициент трения канала, когда массовая скорость потока соответствует жидкости, G(1-X);
v
3
ρ[кг/м] = плотность паровой фазы;
v
3
ρ[кг/м] = плотность жидкой фазы.
Для членов уравнения (2), которые не определены выше, нужен параметр Мартинелли, χ, который определяет градиенты давления для текущей в одиночку жидкости над градиентом давления текущего в одиночку пара,
где ρ - локальное статическое давление. Корреляция для α в уравнении (2) для турбулентного потока в больших трубах дается как
Значение  множителя трения двухфазного потока зависит от множителя трения текущей в одиночку жидкости , коэффициентов трения и локального массового паросодержания
Умножитель трения для текущей в одиночку жидкости задается корреляцией Мартинелли-Нельсона [Martinelli-Nelson] как
С в уравнении (6) имеет члены, которые зависят от режимов газовой и жидкой фаз потока, а именно:
20: при жидкость - турбулентная, газ - турбулентный;
12: при жидкость - вязкая, газ - турбулентный;
5: при жидкость - вязкая, газ - вязкий.
Ли [Lee] (2001) предложил проводить корреляцию коэффициента С:
h
для микроканалов до D~0.8 мм.
Термин «критический тепловой поток», или КТП, представляет собой локальный тепловой поток, в котором температуру стенки невозможно поддерживать вследствие изменения механизма теплопередачи от кипения к конвекции пара.
w
s
Это приводит к образованию локализованного участка местного перегрева. На фиг.1 показана типичная кривая кипения, где тепловой поток откладывается по вертикальной оси, а разница между температурами стенки (T) и насыщенной жидкости (T) - по горизонтальной. Меньшие значения диапазона разницы температур имеют однофазная теплопередача и слабые тепловые потоки. Существует пороговая разница температур, при которой начинается пузырьковое кипение, а небольшое увеличение этой разницы может вызвать более сильные тепловые потоки, поскольку начнется пузырьковое кипение. КТП появляется в том случае, когда разница достигает точки, где скорость теплообмена меняется от пузырькового/аэрированного потока до локального кризиса теплоотдачи при высыхании, а сопротивление газовой фазы начинает доминировать (преобладать) по отношению к теплообмену. КТП может образоваться до высыхания.
Результаты КТП в виде больших гидравлических диаметров довольно хорошо описаны. КТП для насыщенных жидкостей, обычно, является функцией следующих воздействий:
1. Скорость потока: КТП идет вверх (растет), когда скорость потока увеличивается для заданных условий входного отверстия (канала) и геометрии.
2. Давление: когда давление увеличивается, начиная с давления окружающей среды, то КТП возрастает до локального максимума и постепенно уменьшается при увеличивающемся давлении.
3. Размер канала: КТП возрастает при увеличении размера канала;
4. Длина канала: более длинные каналы приводят к более низкому (слабому) КТП;
5. Сухость влажного пара: повышенная сухость пара Х приводит к уменьшению КТП.
При насыщенном кипении размер канала и сухость пара связаны со средним тепловым потоком стенки. Таким образом, более сильный тепловой поток процесса (в среднем) быстро достигает локального КТП за счет более высокой скорости парообразования и определенного количества накопленного пара.
Показатель кипения, Bо, - это тепловой поток, размерность которого не определяется потоком массы и скрытой теплотой парообразования
а
Показатель капилляра, С, - это соотношение сил внутреннего трения к силам поверхностного натяжения
где: µ[кг/м·с] = вязкость жидкости;
3
ρ[кг/м] = плотность жидкости;
σ[Н/м] = поверхностное натяжение жидкости.
Число Вебера представляет собой соотношение сил инерции к силам поверхностной температуры:
Оценка критического теплового потока (КТП) для кипения насыщенного потока исследуется для более крупных каналов, по сравнению с микроканалами. Одна из корреляций взята у Катто и Охно [Katto Y., and Ohno H., Int.J. Heat Mass Transfer, v.26(8), стр.1641-1648, 1984]
,
k
We -основанное на длине число Вебера, с использованием масштаба длины для длины канала.
co1
co2
co
col
Для q"<q":q"=q"
co1
co2
Для q">q"
со
co2
co2
со3
q"=q", когда q"<q"
со
со3
co2
со3
q"=q", когда q">q"
k1
k2
k
k1
Для K>K: K=K
k1
k2
k
k2
Для K≤K: K=K
crit
co
Для кипения насыщенного потока величина q" равна q".
Показатель SR определяется следующим образом:
где Во = показатель кипения, безразмерная величина;
wall max
T = максимальная температура стенки, окружающей участок кипения, К;
sat
T = температура насыщения жидкости при заданном давлении и составе, К;
h
D = гидравлический диаметр канала, в котором происходит кипение, мм;
L = длина канала, на протяжении которой происходит кипение, мм.
Разница между температурой стенки и температурой насыщения определяется как излишняя (избыточная) температура.
Что касается матрицы выровненных микроканалов, где локальный тепловой поток меняется от канала к каналу, то затруднения, которые были рассмотрены выше, становятся еще сложнее. Возможные единичные операции, которые имели бы меняющийся профиль теплового потока над матрицей соединительных каналов, включают, но не ограничены следующими: экзотермические химические реакции, каталитические или однородные, теплоотвод из дистилляционной колонны, этап десорбции в системе абсорбции или адсорбции, процессы экзотермического смешивания и т.д. Это может произойти, если микроканалы выровнены поперек направления других каналов единичной операции. Что касается ситуации с меняющимся потоком в канале, то для поддержания конвективного кипения, может возникнуть необходимость в большем количестве потока в каналах с более мощными тепловыми потоками и в меньшем потоке для каналов с меньшими тепловыми потоками.
Известный уровень техники (информация на дату подачи заявки об известных технических решениях в данной области}
В опубликованной литературе не отражается единого мнения в отношении эксплуатационных характеристик кипения в микроканалах.
Режим кипения и механизмы теплопередачи
С одной стороны, некоторые исследователи говорят о том, что кипение в микроканалах является уникальным и обладает потенциальными преимуществами по сравнению с макромасштабными аналогами. Например, Кэндликар [Kandlikar] (2002) провел критический анализ кипения в потоке в каналах с гидравлическим диаметром менее 3 мм. На основании этого анализа, были сделаны следующие выводы:
- Во время кипения потока в микроканалах обычно имеют место три режима (формы) потока: отдельный (изолированный) пузырек, замкнутый пузырек или пробка, и кольцевой режим потока.
- При определении конечного режима кипящего потока важным фактором является влияние граничного поверхностного натяжения между фазами. Подтверждается существование маленьких зародышеобразовательных пузырьков до 10-20 микрон.
Следует отметить, что с точки зрения производительности теплообмена, изолированные пузырьки являются наиболее желательными. Чедестер [Chedester] и Гхиаасиаан [Ghiaasiaan] (2002) ссылаются на данные и предыдущий теоретический анализ, который поддерживает теорию о том, что образование пузырьков и явление выделения в микроканалах существенно отличаются от аналогичных явлений в больших каналах. При кипении с недогревом градиенты скорости и температуры возле стенок микроканалов могут быть очень большими, и те пузырьки, которые появились в результате кипения с недогревом или кипения в фазе насыщения, могут быть очень маленькими. Возникновение очень маленьких пузырьков существенно влияет на различные процессы кипения с недогревом, включая начало пузырькового кипения (НПК), начало значимой пустоты (НЗП) и отклонение от пузырькового кипения (например, пленочное кипение).
Эти же авторы (Чедестер и Гхиаасиаан, 2002) также выдвигают гипотезу о том, что начало кипения в микроканалах можно регулировать термокапиллярными силами, которые стремятся подавить образование микропузырьков на полостях стенки. Если это действительно так, то можно предположить, что теплопередача в микроканалах, которая значительно увеличивается пузырьковым кипением благодаря скрытой теплоте парообразования, будет, в действительности, выполняться хуже, чем в каналах обычного размера. В их исследованиях говорится о том, что макромасштабные модели и корреляции для теплоотдачи при кипении, по всей видимости, недооценивают при прогнозировании те тепловые потоки, которые необходимы для начала кипения в микротрубках (при этом определено, что они обладают диаметрами в диапазоне от 0.1 мм до 1 мм). Среди других факторов необходимо отметить, что их эксперименты проводились в полностью турбулентном режиме, в то время как большинство практических приложений микроканалов работает в режиме ламинарного потока.
3
2
Хейнес [Haynes] и Флетчер [Fletcher] (2003) рассматривают работу, в которой проводились экспериментальные исследования коэффициентов теплопередачи кипения потока с недогревом для выбранных хладагентов в гладких медных трубках небольшого диаметра. Были рассмотрены следующие диапазоны параметров: диаметры трубок 0.92 и 1.95 мм, тепловые потоки - от 11 до 170 кВт/м и общее количество потоков массы от 110 до 1840 кг/(м·с). Более того, ограниченный набором данных диапазон чисел Рейнольдса для жидкости составляет от 450 до 12,000. В своей работе они не определили ни доказательства того, что конвекция подавляет член зародышеобразования, а также не определили доказательства того, что акты зародышеобразования усиливают конвективный член даже в ламинарных и переходных потоках. Однако ламинарные потоки, в частности, могут увеличиваться при помощи неизвестного механизма.
Проданович [Prodanovic] и др. (2002) в своих экспериментальных исследованиях отмечают, что основной моделью теплообмена во время пузырькового кипения является возбуждение пузырьков. Возбуждение рассеивается по мере того, как пузырек уходит (перемещается) от нагретой поверхности канала.
Ли [Lee] и др. (2004) проводили эксперименты с пузырьковой динамикой в одиночном трапециевидном микроканале с гидравлическим диаметром 41.3 микрон. Результаты этого исследования указывают на то, что образование пузырьков в микроканале обычно растет с постоянной скоростью от 0.13 до 7.08 микрон/мс. В некоторых случаях наблюдается чрезвычайно высокая скорость роста от 72.8 до 95.2 микрон/мс. Оказалось, что на размер того пузырька, который отрывается от стенки микроканала, влияет поверхностное натяжение и (гидродинамическое) сопротивление массового расхода (в отличие от напряжения стенки при сдвиге), кроме того, его можно должным образом скоррелировать при помощи модифицированной формы уравнения Леви [Levi]. Они также утверждают, что частота пузырьков в микроканале сравнима с частотой пузырьков в канале обычного (стандартного) размера.
Том [Thome] (2004) провел анализ последних исследований в области кипения в микроканалах. Был сделан анализ экспериментов и теории парообразования в микроканалах. Он утверждает, что основным доминирующим режимом потока, по-видимому, является режим продолговатых (вытянутых) пузырьков, который может продолжать существовать (сохраняться) до сухости пара 60-70% в микроканалах, после чего следует кольцевой поток. Также он утверждает, что регулирующий механизм теплообмена не является ни пузырьковым кипением, ни турбулентной конвекцией, а переходным (нестационарным) тонкопленочным парообразованием. Как показывают некоторые исследователи, коэффициенты теплопередачи кипения потока почти исключительно зависят от теплового потока и давления насыщения, т.е. похожи на теплопередачу при пузырьковом кипении в большом объеме и лишь незначительно зависят от скорости массы и сухости пара. Однако в ходе недавно проведенных тестов было продемонстрировано влияние скорости массы и сухости пара, что поддерживает гипотезу о том, что при кипении теплообмен регулируется снарядным режимом потока или тонкопленочным кипением.
Устойчивость потока
Устойчивость потока кипения в микроканале является вопросом, вызывающим большие опасения. Поскольку еще не существует никакой комплексной (всесторонней) теории о начале неустойчивости, она в основном изучается по флуктуациям и визуализации давления потока. Теплообмен гораздо менее эффективен для неустойчивого потока по многим причинам, включая неустойчивость в режимах потока, образование пленочного кипения, обратного потока и слабое распределение потока. Ниже приводятся цитаты из имеющейся литературы об известном уровне техники (информации об известных технических решениях) по этой теме.
2
2
Брутин [Brutin] и др. (2003) исследовали неустойчивость двухфазного потока в конвективном кипении, которое имеет место в узких прямоугольных микроканалах. Гидравлический диаметр составлял 889 микрон, а длина канала 200 мм. Эксперименты проводили при потоке массы величиной 240 кг/м·с) и тепловых потоках в диапазоне от 3.3 до 9.6 Вт/м. При всех этих условиях образуется паровая пробка, которая блокирует двухфазный поток и проталкивает двухфазный поток обратно к входу потока. На основании своих экспериментальных наблюдений, они устанавливают критерий для потока в устойчивом состоянии в качестве низких колебаний амплитуды флуктуации в измеренном давлении потока менее 1 кПа, и при этом характеристическая частота колебаний соотношения меньше 20 (отношение амплитуды пика к амплитуде шума).
2
2
By [Wu] и др. (2004) дают описание ряда экспериментов, которые проводились для изучения различных режимов неустойчивости кипения для воды, текущей в микроканалах при разных значениях теплового потока и потока массы. В этих экспериментах использовали восемь параллельных кремниевых микроканалов с одинаковым трапециевидным поперечным сечением, с диаметром 186 микрон и длиной 30 мм. Когда тепловой поток на стенке был увеличен с 13.5 до 22.6 Вт/см, а средний по времени поток массы воды был уменьшен с 14.6 до 11.2 г/см·с, то в микроканалах наблюдали три вида режимов неустойчивого кипения:
- Жидкий/двухфазный переменный поток (ЖДПП) при слабом тепловом потоке и большом потоке массы;
- Непрерывный двухфазный поток (НДП) при среднем тепловом потоке и среднем потоке массы; а также
- Жидкий/двухфазный/паровой переменный поток (ЖДППП) при высоком тепловом потоке и слабом потоке массы.
2
2
2
2
2
2
Обычно ЖДПП возникал при более низком (слабом) тепловом потоке (от 13.5 до 16.6 Вт/см) и более высоком среднем потоке массы (от 14.6 до 12.7 г/м·с); НДП возникал при среднем тепловом потоке (18.8 Вт/см) и среднем потоке массы (11.9 г/см·с), а ЖДППП возникал при более высоком (сильном) тепловом потоке (22.6 Вт/см) и более низком (слабом) потоке массы (11.2 г/см·с). Среди трех неустойчивых режимов кипения, амплитуды колебаний в ЖДППП были самыми большими при колебаниях давления и потока массы почти за пределами тех граничных значений, которые определены для этой фазы.
H
Значения L/D
H
Все эксперименты с микроканалами проводятся при определенной фиксированной геометрии. Для того чтобы дать краткое описание производительности теплообмена для этих устройств, было определено, что соотношение длина-диаметр, которое обычно равно длине канала, деленной на гидравлический диаметр L/D, является удобным показателем. В большей части литературы об известном уровне техники (информации об известных технических решениях) не приводятся четкие данные о длине каналов, использованных в их экспериментах. Ниже перечислена та литература, в которой указаны эти данные.
H
- Брутин и др. (2003): L/D=100 и 250 (см. описание выше в разделе "Устойчивость потока»).
H
- By и др. (2004): L/D=161 (см. описание выше в разделе "Устойчивость потока»).
H
H
- Ли и др. (2003): для исследования влияний формы канала размером несколько микрометров на развивающиеся режимы потока и тепловую производительность микросистемы использовался интегрированный (комплексный) сток теплоты из неглубоких, почти прямоугольных микроканалов. В этом устройстве использовались каналы с эквивалентным диаметром D=24 микрон и общей длиной 19 мм, что дало соотношение L/D=792. Был сделан вывод о том, что локальное зародышеобразование и изолированное образование пузырьков незначительны. Доминирующий режим потока представляет собой неустойчивую область перехода, которая соединяет зону пара в верхнем течении (верхового пара) с зоной жидкости в низовом течении (низовой жидкости), и среднее местоположение этой области зависит от входной мощности.
H
- Уорриер [Warrier] и др. (2002): в небольших прямоугольных каналах были проведены эксперименты по однофазной вынужденной конвекции, а также эксперименты по пузырьковому кипению в фазе недогрева и фазе насыщения с использованием FC-84 в качестве испытательной жидкости. Испытательные участки состояли из пяти параллельных каналов, причем каждый канал имел следующие размеры: гидравлический диаметр D=0.75 мм и соотношение длина-диаметр = 409.8. Эти эксперименты были проведены с горизонтально ориентированными каналами, и при этом к верхней и нижней поверхностям были подведены одинаковые тепловые потоки. Те параметры, которые менялись (варьировались) во время экспериментов, включали в себя скорость потока массы, недогрев входной жидкости и тепловой поток. Для теплообмена при кипении в недогретом и насыщенном потоке были образованы новые корреляции теплообмена.
2
H
2
Петтерсен [Pettersen] (2004): испарение жидкого CO в микротрубках диаметром 0.8 мм и длиной 0.5 м (L/D=625). Измерения теплопередачи и падения давления были проведены при меняющейся паровой фракции при температурах в диапазоне от 0 до 25°С, потоке массы 190-570 кг и тепловом потоке 5-20 кВт/м. Результаты теплопередачи показывают значительное влияние высыхания, особенно при большом потоке массы и высокой температуре. Наблюдения за потоком отражают увеличивающийся унос при большем потоке массы и доминирование кольцевого потока (пробковый поток и тонкопленочное кипение).
Технические характеристики для улучшения кипения
И наконец, характеристики теплопередачи при кипении микроканала также можно улучшить, если использовать пористое покрытие или, как предлагается в некоторых технических методиках, пористые или рифленые конструкции на поверхностях стенок микроканала. Например, Аммерман [Ammerman] и Ю [You] (2001) предложили описание экспериментальной работы с использованием пористых покрытий на канале шириной 2 мм и общей длиной 8 см. Было проведено сравнение характеристик теплообмена для конвективного кипения с использованием канала с покрытием и канала без покрытия с такими же размерами и потоками массы. В микроканалах с покрытием наблюдалось увеличение коэффициента теплопередачи, а также более высокий (больший) допускаемый критический тепловой поток.
2
2
Хонда [Honda] и Вэй [Wei] (2004) представили работу по улучшению теплопередачи при кипении от электронных компонентов, погруженных в диэлектрические жидкости, благодаря использованию поверхностных микроструктур. Эти разработанные микроструктуры включают поверхностную шероховатость, которая получена с помощью пескоструйного напыления слоя SiO, с последующим жидкостным травлением поверхности, химическое осаждение слоя SiO из паровой (газовой) фазы и т.д., похожую на щетку конструкцию (дендритический (древовидный) сток тепла), просверленные лазером проточки, проходные резонаторы, микроребра (микропластины), распыление алюминиевых частиц, покраску хлопьевидными частицами серебра или частицами алмазов, а также стержни для стока тепла с просверленными отверстиями, микроребра и микроканалы, ребра на выводах микросхем и т.д. Основные вопросы, которые были рассмотрены в ходе данных исследований, включали в себя ослабление превышения температуры зарождения (начала), улучшение теплообмена при пузырьковом кипении и увеличение критического теплового потока. Они получили следующие результаты:
- Сложная микрошероховатость, микропроходной резонатор и микропористая структура эффективно влияют на уменьшение перегрева зарождения (начала) кипения. Однако, когда поверхность канала была недогрета, микропроходной резонатор склонялся к заполнению жидкостью. Механизм уменьшения перегрева зарождения (начала) кипения за счет микроструктуры поверхности еще не очень хорошо изучен.
H
2
- Шероховатость поверхности эффективно влияет на улучшение пузырькового кипения. Однако авторы не смогли определить прямую (непосредственную) связь между параметром шероховатости поверхности ε/D с улучшением теплообмена. Они обнаружили, что шероховатость поверхности, полученная в результате осаждения тонкой пленки SiO (как, например, в приложениях для микрокристаллов), эффективно влияет на увеличение критического теплового потока.
- Поверхностные полости эффективно влияют на улучшение пузырькового кипения и увеличение критического теплового потока. В ходе наблюдений был сделан вывод о том, что в диапазоне изменения диаметра устья поверхностной полости 1.6-9 микрон, полость с более высоким (большим) значением диаметра deq более эффективно влияет на образование участков зарождения пузырьков.
- Микропористые структуры являются наиболее эффективными при улучшении пузырькового кипения. Однако угол наклона кривой кипения микропористой поверхности резко уменьшается в области высокого значения теплового потока и перегрев стенок в точке критического (удельного) теплового потока (CHF) выше максимально допустимой температуры для определенных приложений микрокристалла.
- Авторы обнаружили, что ребра микро (ε=1. выводов кристалла (ИС) являются наиболее эффективными для повышения критического (удельного) теплового потока
CHF
sat
sat
wall
sat
CHF
sub
sub
sat
boil
CHF
sub
q. Кривая кипения оребренной для микрообъемов поверхности показывает резкое увеличение q при повышении ΔT (ΔT = перегреву стенки = T-T). q увеличивается монотонно с повышением ΔT (ΔT = недогрев жидкости = T-T). Оптимальное расстояние (интервал) между ребрами, которое дает наивысшее значение q, уменьшается по мере уменьшения ΔT.
- Микроструктуры поверхности удерживают растущие пузырьки на поверхности в течение более длительного времени, чем гладкая поверхность. Это считается важным фактором для усовершенствованного теплообмена, получаемого с помощью поверхностных микроструктур.
CHF
- Наивысшая производительность получается при горизонтальной ориентации кристалла (чипа) с направлением вверх. Авторы дают математическое выражение, связывающее q с углом наклона.
CHF
Авторы дают количественные показатели повышения значений q из-за шероховатости поверхности стенок каналов в приложениях для микрокристаллов: 32.5% и 48%. Эти результаты были получены для следующих средних значений шероховатости поверхности ε:1.1б 18.7 и 309.3 нанометра, соответственно, по сравнению с шероховатостью поверхности 1.1 нанометра для базового случая. Более того, они построили кривые кипения для различных значений эквивалентного диаметра входного отверстия в пористую полость (раковину), а также для пористых и инженерных конструкций выводов кристалла (ИС) с ребрами. Улучшение теплового потока при заданной температуре перегрева стенки можно сравнить с самой гладкой поверхностью, Кристаллом S (ε=1.1 нанометра), а также с прогнозами для конвективного кипения, которое предполагает совершенно гладкую поверхность (ε=0).
Рамасвами [Ramaswamy] и др. (2002) дают описание исследований кипения с усовершенствованной поверхностью в микроканале с использованием резки полупроводниковых пластин на кристаллы. При этом для изготовления сети (схемы) взаимосвязанных микроканалов на кремниевой пластине (подложке) размером
10 мм×10 мм использовалось жидкостное травление. Итоговая структура имеет поры, которые устанавливают связь между внутренностями микроканалов и резервуаром для жидкостей. Диаметр пор варьировался в диапазоне 0.12-0.20 мм, а интервал (шаг) между порами находился в диапазоне 0.7-1.4 мм. Сбор данных проводился при поддержании давления в системе на уровне одной атмосферы и повышении перенагрева стенки до 12К.
Полученные ими результаты можно кратко сформулировать в следующем виде.
Для тех значений перенагрева стенки, которые находятся в диапазоне от низких до промежуточных (4-12°С) кипение происходило в режиме изолированных друг от друга пузырьков. С повышением перенагрева стенки начала происходить коалесценция (слияние пузырьков), которая, в конечном счете, привела к образованию больших пузырей. Явление коалесценции в некоторой степени определялось (зависело от) интервалом (шагом) между порами.
Средний диаметр отрыва пузырьков при кипении увеличивался с повышением размера поры (для одного и того же перегрева стенки). Они (авторы отчета) говорят о том, что влияние интервала между порами было очень малым. Для определенного размера поры диаметр отрыва пузырьков при кипении увеличивался с повышением перегрева стенки.
С повышением перегрева стенки частота образования пузырьков увеличивалась в самой малой степени (незначительно). При промежуточных перегревах стенки (примерно 12°С) частота показывала тенденцию к уменьшению. Более того, частота уменьшалась с повышением интервала между порами и диаметра поры.
Авторы говорят о том, что с повышением перегрева стенки увеличивалась плотность центра зародышеобразования (для всех структур). Больший интервал между порами приводил к меньшему количеству пузырьков из-за меньшего количества пор. Размер пор оказывал незначительный эффект за исключением одной структуры, где количество пузырьков увеличивалось. Они (авторы) утверждают, что плотность центра зародышеобразования является функцией объема, выпаренного внутри туннелей, и среднего диаметра отрыва пузырьков при кипении, и что с изменением размера пор взаимодействие этих двух параметров приводит к изменчивости в плотности центра зародышеобразования.
Перегрев стенки
sat
wall
sat
sup
Малый гидравлический диаметр приводит к низким числам Рейнольдса в ламинарном режиме, обычно в диапазоне 100-1000. Если необходимо получить хорошие характеристики теплообмена в приложении двухфазного микроканала, то при таких потоках с низкими числами Рейнольдса обычно необходимо пузырьковое кипение. Однако высокий уровень перегрева стенки, который часто необходим для инициирования зародышеобразования, приводит к «выбросу» или чрезмерному быстрому выпариванию, которое, в свою очередь, может привести к коалесценции (слиянию) пузырьков, снарядному режиму (двухфазного) потока, а также к различным режимам нестабильности потока. Это означает, что контроль выброса кипения предусматривает поддержание температуры перегрева стенки ΔT=T-T (иногда обозначаемой как ΔT) на самом низком возможном значении для пузырькового кипения.
Кандликар [Kandlikar] (2004) рассматривал кипение потока в таком канале, на входе в который подается недогретая (до температуры насыщения) жидкость, а на выходе - поток парожидкостной смеси. При движении потока жидкости через микроканал происходит зародышеобразование в тех областях, которые попадают в определенный диапазон размеров при заданном наборе условий потока. Предполагая, что на поверхности стенки канала присутствуют полости всех размеров, он (Кандликар) предлагает, что необходимый для зародышеобразования перегрев стенки может быть математически выражен на основе уравнений, составленных Хсу [Hsu] и Грэхемом [Graham] (1961), а также Сато [Sato] и Мацумура [Matsumura] (1964), и при этом он предполагает, что перепад температур недогретой жидкости устанавливается равным нулю:
Для каналов больше 1 мм это выражение прогнозирует, что перегрев стенки является довольно малым, но с уменьшением размера канала необходимы более высокие значения перегрева для инициирования зародышеобразования. Например, для воды в канале с гидравлическим диаметром 200 микрон необходим перегрев стенки на 2°С, и только после этого может начаться зародышеобразование.
Если гидравлический диаметр каналов меньше 50 микрон, то обязательный перегрев стенки может превысить 10°С для воды и должен быть выше 2-3°С для холодильных агентов (хладагентов). Кипение потока в каналах меньше 10 микрон вызовет значительные проблемы (вызовы) для достижения пузырькового кипения.
Когда перегрев стенки превышает ту температуру, которая необходима для образования зародышей в тех полостях, которые находятся на стенках канала, то в микроканале начинается пузырьковое кипение. Отсутствие центров зародышеобразования соответствующих размеров может задержать образование зародышей. На поведение процесса образования зародышей могут негативно повлиять другие факторы, такие как острые углы, колебания жидкости и растворенные газы. Необходимый перегрев стенки оценивается в диапазоне 2-10°С для каналов с гидравлическим диаметром меньше 50-100 микрон с R-134a и водой, соответственно, при атмосферном давлении.
Один важный фактор, который необходимо рассматривать для всех оценок перегрева стенок с использованием указанного выше уравнения, состоит в том, что это выражение основано на стандартных (общепринятых) корреляциях между кипением канала и теплообменом. Ссылки на это выражение датируются задним, более ранним числом во всей литературе по исследованиям явления кипения в микроканалах на протяжении многих лет, и поэтому они не могут быть применимыми для прогнозирований перегрева стенок микроканалов.
Пенг [Peng] и др. (1997) представили результаты, которые дают более высокие значения для температуры перегрева стенок при том же самом гидравлическом диаметре, которые показаны на фиг.3. Они (авторы) утверждают, что пузырьковое кипение гораздо труднее получить в микроканалах, чем в каналах обычного (стандартного) размера, несмотря на то, что они (авторы) также выдвигают гипотезу о том, что жидкость находится в сильно неравновесном состоянии с исключительной способностью поглощать и переносить тепловую энергию.
2
2
Рамасвами [Ramaswamy] и др. (2002) представили экспериментальные результаты для среднего теплового потока по отношению к перегреву стенок в микроканалах с предусмотренными конструкцией приспособлениями (характеристиками) в стенках для усовершенствования кипения, которое находится в диапазоне от около 4 Вт/см при перегреве стенок 4.5°С до около 19 Вт/см при перегреве стенок в виде 13°С с гидравлическим диаметром, изменяющимся в диапазоне от 0.134 до 0.287 мм. И наконец, Хонда [Honda] и Вей [Wei] (2004) измерили средний тепловой поток для заданного перегрева стенок для поверхностей стенок с предусмотренными конструкцией характеристиками. На фиг.4 показаны комбинированные воздействия (влияния, эффекты) толщины ребра и высоты ребра (теплообменника) на кривую кипения кристалла (ИС), чьи микровыводы оснащены теплообменными ребрами. Для сравнения также показаны кривые кипения для других различных конструкций кристаллов (кристалл «Chip S», Октай [Oktay] и Шемекенбекер [Schemekenbecher], O'Коннор [O'Connor] и др., а также Андерсон [Anderson] и Мудувар [Mudawar]). На фиг.4 кристалл «Chip PFa-h» (a=30 и 50, h=60-270) обозначает кристалл с оребренными микровыводами с линейной группой квадратных ребер (на микровыводах) толщиной несколько микрон и высотой h микрон. Расстояние (интервал) между ребрами равно толщине ребер.
Справочная литература
- К.Н.Эммерманн [Ammermann, C.N.] и С.Ю [S.You], 2001 «Enhancing Small-Channel Convective Boiling Performance Using a Microporous Surface Coating" [Улучшение производительности конвективного кипения в малых каналах с использованием микропористого покрытия поверхностей] Journal of Heat Transfer 123(5), 976-983.
- Д.Брутин [Brutin D.], Ф.Топин [Р.Торт] и Л.Тэрдист [L.Tardist] "Experimental study of unsteady convective boiling in heated minichannels" [Экспериментальные исследования неустойчивого (неравномерного) конвективного кипения в нагретых микроканалах] International Journal of Heat and Mass Transfer 46, 2957-2965.
- P.K.Чедестер [Chedester, R.C.] и С.М.Гхиаасиаан [S.M.Ghiaasiaan], 2002 "A proposed mechanism for hydrodynamically-controlled onset of significant void in microtubes" [Предлагаемый механизм для гидродинамически контролируемого начала (нагона) значимой полости (раковины) в микротрубках}, International Journal of Heat and Fluid Flow 23, 769-775.
- C.M.Гхиаасиаан [S.M.Ghiaasiaan] и Р.К.Чедестер [Chedester R.C.], (2002) "Boiling incipience in microchannels" [Зарождение (начало) кипения в микроканалах], International Journal of Heat and Mass Transfer, 45, 4599-4606.
- X.Хонда [Honda, H] и Дж.Дж.Вей [J.J.Wei], 2004 "Enhanced boiling heat transfer from electronic components by use of surface microstructures" [Улучшенный теплообмен при кипении от электронных компонентов путем использования поверхностных микроструктур]. Experimental Thermal and Fluid Science 28, 159-169.
- Ю.Ю.Xcy [Hsu Y.Y.] и Р.В.Грехэм [Graham R.W.], 1961, "An Analytical and Experimental Study of the Thermal Boundary Layer and Ebullition Cycle in Nucleate Boiling", [Аналитические и экспериментальные исследования теплового и пограничного слоя и цикла вскипания в пузырьковом кипении] NASA TN-D-594.
- С.Г.Кэндликар [Kandlikar S.G.], 2002 "Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels," [Фундаментальные вопросы, связанные с кипением потока в миниканалах и микроканалах] Experimental Thermal and Fluid Science 26(2002) 389-407.
- С.Г.Кэндликар [Kandlikar S.G.], 2004 "Heat Transfer Mechanisms During Flow Boiling in Microchannels", [Механизмы теплообмена во время кипения потока в микроканалах} Transactions of the ASME, Vol 126, февраль 2004 года.
- Р.В.Локхарт [Lockhart R.W.] и Р.К.Мартинелли [Martinelli R.C.], "Proposed Correlation of Data for Isothermal Two-Phase, Two-Component Flow in Pipes", [Предложенная корреляция данных для изотермального двухфазного двухкомпонентного потока в трубах] Chemical Engineering Progress 45(1), pp. 39-48, 1949.
- М.Ли [Lee M.], Ю.Ю.Вонг [Y.Y.Wong], М.Вонг [M.Wong] и Ю.Зохар [Y.Zohar], 2003 "Size and shape effects on two-phase flow patterns in microchannel forced convection boiling" [Влияния размера и формы на образцы двухфазного потока при принудительном конвективном кипении в микроканалах]. Journal of Micromechanics and Microengineering 13, 155-164.
- П.С.Ли [Lee P.C.], Ф.Г.Тсенг [F.G. Tseng] и Чин Пэн [Chin Pan], 2004 "Bubble dynamics in microchannels. Part 1: single microchannel", [Динамика пузырьков в микроканалах: Часть 1: одиночный микроканал] International Journal of Heat and Mass Transfer 47, 5575-5589.
- К.Ф.Пенг, [Peng X.F.], X.Ю.Ху [H.Y.Hu] и Б.К.Ванг [B.X.Wang], 1998 "Boiling Nucleation during liquid flow in microchannels" [Зародышеобразование при кипении во время потока жидкости в микроканалах], International Journal of Heat and Mass Transfer 41(1), 101-106.
2
2
- Дж.Петтерсен [Pettersen J.], 2004 "Flow vaporization of CO in microchannel tubes" [Испарение (парообразование) потока CO в трубках микроканалов}, Experimental Thermal and Fluid Science 28, 111-121.
- К.Рамасвами [Ramaswamy С.], Ю.Джоши [Y.Joshi], В. Накаяма [W.Nakayama] и В.Б.Джонсон [W.B.Johnson], 2002 "Highspeed visualization of boiling from an enhanced structure" [Высокоскоростная визуализация кипения из улучшенной конструкции], International Journal of Heat and Mass Transfer, 45, 4761-4771
- Т.Сато [Sato Т.] и X.Матсумура [Matsumyra H.], 1964 "On the Conditions of Incipient Subcooled Boiling with Forced Convection" [Об условиях зарождающегося недогретого кипения во время принудительной конвекции], Bull., JSME, 7(26), рр. 392-398.
- Дж.Р.Соме [Thome J.R.], 2004 "Boiling in microchannels: a review of experiment and theory" [Кипение в микроканалах: анализ экспериментов и теории], International Journal of Heat and Fluid Flow 25, 128-139.
- Г.Р.Уорриер [Warrier G.R.], В.К.Дхир [V.K.Dhir], и Л.А.Момода [L.A.Momoda], 2002 "Heat transfer and pressure drop in narrow rectangular channels" [Теплообмен и падение (перепад) давления в узких прямоугольных каналах]. Experimental Thermal and Fluid Science 26, 53-64.
- Х.Ю.Ву [Wu H.Y.] и П.Ченг [P.Cheng], 2003 "An experimental study of convective heat transfer in silicon microchannels with different surface conditions" [Экспериментальные исследования конвективного теплообмена в кремниевых микроканалах с различной чистотой (качеством) поверхности], International Journal of Heat and Mass Transfer 46, 2547-2556.
- Х.Ю.Ву [Wu H.Y.] и П.Ченг [P.Cheng], 2004 "Boiling instability in parallel silicon microchannels at different heat flux" [Нестабильность кипения в параллельных кремниевых микроканалах при различных тепловых потоках], International Journal of Heat and Mass Transfer 47, 3631-3641.
- High flux boiling in low flow rate, low pressure drop mini-channel and micro-channel heat sinks", [Кипение потока высокой интенсивности в миниканалах с низкой скоростью потока и низким перепадом давления, а также стоками теплоты (тепловыми нагрузками) в микроканалах] Бауэрс [Bowers] и др., International Journal of Heat and Mass Transfer; Jan. 1994; No.2, p.321-332, (12 страниц).
- "Forced convection boiling in a microchannel heat sink"[Принудительное конвективное кипение в тепловом стоке (тепловой нагрузке) в микроканале], Джианг [Jiang] и др., Journal of Microelectromechanical Systems; Mar.2001; v.l0, No.1, p.80-87 (8 страниц).
- "Forced convection and flow boiling heat transfer for liquid flowing through microchannels" [Принудительная конвекция и теплообмен при кипении потока для жидкости, текущей через микроканалы}, Пенг [Peng] и др., International Journal of Heat and Mass Transfer; Sep.1993; v.36, No.14, pp.3421-2427. (7 страниц).
- Андерсон [Anderson] и др. Microelectronic Cooling by Enhanced Pool Boiling of a Dielectric Fluorocarbon Liquid [Охлаждение микроэлектроники путем улучшенного кипения диэлектрической фторированной углеводородной жидкости в большом объеме], 1988.
- Фуджи [Fujii] и др.; Nucleate Pool Boiling Heat Transfer from MicroPorous Heating Surface [Теплообмен при пузырьковом кипении в большом объеме от микропористой нагревающей поверхности]; 1983.
- Парк [Park] и др.; Effects of Size of Simulated Microelectronic Chips on Boiling & Critical Heat Flux [Влияния размера моделированных микроэлектронных кристаллов на кипение и критический тепловой поток]; 1986.
- Публикация заявки на патент Соединенных Штатов Америки [United States Patent Application Publication] No.: US 2004/0182551 A1, Boiling Temperature design in Pumped MicroChannel Cooling Loops [Структура температуры кипения в возбужденных охлаждающих контурах микроканалов], 23 сентября 2004 года.
- Публикация заявки на патент Соединенных Штатов Америки [United States Patent Application Publication] No.: US 2004/0104012 Al, Boiling Vapor Escape Microchannel Heat Exchanger [Теплообменник в виде микроканалов с освобождением (утечкой) пара кипения], 3 июня 2004 года.
- Публикация заявки на патент Соединенных Штатов Америки [United States Patent Application Publication] No.: US 2004/0082804 A1, Boiling Multiphase MicroChannel Reactions [Многофазные реакции в микроканалах при кипении], 29 апреля 2004 года.
Обсуждение изобретения
h
h
h
Использование частичного кипения жидкости в микроканалах или миниканалах является удобным инструментом для регулирования других единичных операций. Микроканалы являются более предпочтительными по сравнению с миниканалами, поскольку результаты, полученные при их использовании, были намного лучше по сравнению с результатами, полученными при использовании миниканалов, и гораздо лучше результатов работы каналов стандартного размера. Микроканалы или миниканалы с частичным кипением могут располагаться рядом с одним технологическим каналом для единичной операции. В качестве альтернативы, один мини- или микроканал может обслуживать два, три, четыре или более технологических каналов. Технологический канал может представлять собой микроканал (D<2 мм, где D - гидравлический диаметр) или миниканал (D от 2 до 10 мм). Тепловой поток для такого изменения фазы, как кипение, намного больше, чем для однофазной теплообменной жидкости. По существу, скорость тепловыделения может быть гораздо выше в технологических каналах, и, таким образом, общая производительность интегрированной системы поддерживается на высоком уровне.
В данном изобретении каналы с хладагентом значительно длиннее, чем те каналы со сравнительным размером, которые рассматриваются в известном уровне техники (любой информации на дату подачи заявки об известных технических решениях в данной области) для приложений частичного кипения. Условно говоря, более длинные каналы считались бы неподходящими для приложений частичного кипения, поскольку их бы рассматривали как технический риск из-за больших падений давления и проблем с высыханием. На удивление мы получили прекрасные результаты при использовании частичного кипения в длинных микроканалах - включая высокую пропускную способность, максимальный сток, допустимое падение давления и устойчивость без тенденции к высыханию. Кроме того, те устройства, в которых соотношение объема коллектора к объему технического канала является низким (мало), лучше используют объем установки.
С одной стороны, в данном изобретении предоставляется процесс удаления тепла из экзотермического процесса, который включает: проведение экзотермического процесса в технологическом канале; отвод тепла из экзотермического процесса в технологическом канале в соседний микроканал или миниканал; и прохождение охлажденной жидкости через соседний микроканал или миниканал, в котором происходит частичное кипение, по крайней мере, на 15 см длины канала, когда жидкость проходит через соседний миниканал или микроканал. С этой стороны, соседний микроканал или миниканал включает поверхность внутренней стенки, которая является поверхностью на стенке канала, которая отделяет соседний микроканал или миниканал от технического канала; и среднее напряжение при сдвиге жидкости у стенки соседнего миниканала или микроканала длиной, по крайней мере, 1 см, либо измеренное, либо рассчитанное, составляет, по крайней мере, 1 Паскаль (Па).
С другой стороны, данное изобретение предоставляет процесс охлаждения экзотермического процесса, включая: проведение экзотермического процесса в технологическом канале; предоставление охлаждения экзотермическому процессу в технологическом канале, путем передачи тепла в соседний микроканал, у которого длина канала составляет, по крайней мере, 15 см; прохождение охлаждающей жидкости со скоростью потока, по крайней мере, 0.1 м/с через соседний микроканал, в котором происходит частичное кипение, когда она (охлаждающая жидкость) проходит через соседний микроканал; где соседний микроканал включает в себя внутреннюю поверхность стенки, которая является такой поверхностью стенки канала, которая отделяет соседний микроканал от технологического канала; и где температура поверхности во время процесса не более чем на 5°С выше температуры кипения охлаждающей жидкости при тех условиях, которые присутствуют в микроканале.
2
2
В различных вариантах конструкции изобретение может иметь одну или большее количество следующих характеристик: напряжение стенки, по крайней мере, 1 Па, 10 Па, 50 Па, или, по крайней мере, 100 Па; длина, по которой происходит частичное кипение, должна быть больше, по крайней мере, 15 см, и больше общей длины соседнего охлаждающего канала; ламинарный поток; технологический канал мини или микро размера; диаметры пузырьков в частично кипящей жидкости должны быть меньше зазора (интервала) между соседними миниканалами или микроканалами (предпочтительно, если диаметры пузырьков не превышают 90%, а еще более предпочтительно 75%, 50%, 20% от высоты канала); гидравлический диаметр 5 мм в соседнем канале; температура в соседнем миниканале или микроканале изменяется не больше, чем на 5°С, 3°С, 1°С при измерениях термопарами, расположенными в тех областях в канале, где происходит частичное кипение; охлаждающая жидкость (хладагент), входящая в соседний канал, представляет собой однофазную жидкость; при этом хладагент, по крайней мере, на 1 С°, а еще лучше, если на 3°С, 5°С, 10°С меньше температуры кипения при этих условиях в канале; длина участка частичного кипения составляет, по крайней мере, 25 см, 50 см, 100 см; соседний миниканал или соседний микроканал является микроканалом; температура поверхности на 1.5°С (или менее) выше температуры кипения в точке начала кипения, и гидравлический диаметр соседнего микроканала составляет от 50 до 700 мкм; соседний микроканал - это гладкий микроканал с зазором (интервалом) 1 мм или меньше, где средний тепловой поток равен, по крайней мере, 2, лучше 5, а еще лучше, по крайней мере, 10 Вт/см поверхности; скорость потока равна, по крайней мере, 5 мл/мин на один микроканал хладагента, длина канала составляет, по крайней мере, 25 см, а температура поверхности стенки на 5°С (или меньше) выше температуры кипения в условиях канала; колебания давления в микроканале равны 5% или меньшее основного (базового) давления, измеряемого манометром; добавление поверхностно-активного вещества в жидкий хладагент; падение давления в микроканале - менее 0.3 фунт-сил на квадратный дюйм (psig)/2.5 см для потока величиной, по крайней мере, 2 Вт/см; длина микроканалов с хладагентом составляет, по крайней мере, 30 см (лучше, по крайней мере, 45 см, 60 см) с устойчивым частичным кипением, при котором флуктуации падения давления составляют не более 5%, 3% или 1%, при измерении манометром на выходе канала; реакция Фишера-Тропша (FT) с охлаждением частичного кипения и селективностью метана <15%, <12%, <10%, <8%, <5%, которая достигается путем регулировки температуры настолько хорошо, что селективность является низкой; горизонтальный поток частично кипящей жидкости в микроканале, который обычно считается более сложным (труднодостижимым), чем вертикальный поток; горизонтальные каналы охлаждения, уложенные вертикально, частичное кипение в поперечном, противоположном, сонаправленном или диагональном потоке; сегрегация (разделение, сортировка) потока во вспомогательных трубопроводах (магистралях) перед входом в микроканалы; никаких изменений в характеристиках теплообмена в каналах с частичным кипением, если поток хладагента останавливается на более чем 20 часов во время работы; никаких изменений в характеристиках теплообмена в каналах с частичным кипением, если главный поток процесса в экзотермическом канале останавливается более чем на 2 часа во время работы; любая экзотермическая реакция, включая реакции Фишера-Тропша [Fischer-Tropsch], при изменении температуры стороны кипения <3С°, <1C° от входа до выхода канала теплообмена; коэффициент теплообмена на первом участке однофазного теплообмена охлаждающегося микроканала составляет <80%, <50%, <25% или <10% от коэффициента теплообмена на втором участке микроканала охлаждения, где возникает частичное кипение; микроканалы с частичным кипением вместе с экзотермической единичной операцией, где тепловой поток или нагрузка на первом отрезке (участке) технологического канала существенно отличается от теплового потока или нагрузки на втором отрезке (участке) технологического канала; и/или частичное кипение при повышенных давлениях, >100 фунт-сил на квадратный дюйм (psig), >300 psig, >500 psig.
Что касается характеристик установки, то данное изобретение включает в себя:отношение ширины канала с хладагентом к его длине (ширина/высота) равно, по крайней мере, 5, предпочтительнее, по крайней мере, 10, и еще лучше, по крайней мере, 20. Высота перпендикулярна чистому потоку, а ширина перпендикулярна высоте, и длине (длина - это направление чистого потока через канал). Многочисленные (предпочтительнее в виде планарной матрицы) технологические каналы и каналы с хладагентом (также предпочтительнее, если они будут расположены в виде планарной матрицы; лучше, если чередуются (перемежаются) планарные матрицы технологических и охлаждающих каналов), при этом поток каналов с хладагентом направлен поперек (перпендикулярно) по отношению к технологическим каналам. Каналы с хладагентом имеют горизонтальный поток (по крайней мере, 50% длины потока ориентированы горизонтально). Изменяющееся поперечное сечение охлаждающего канала с относительно большим зазором (промежутком) (по крайней мере, на 10% больше площади поперечного сечения) в передней части охлаждающего канала, где жидкость не кипит, с относительно более меньшим поперечным сечением в области частичного кипения; и, по возможности (необязательно), относительно большой площадью поперечного сечения около конца охлаждающего канала. Распределение потока в многочисленные параллельные каналы (это рассматривается в данном документе). Использование барьеров, образующих диаметр отверстия, который на 10% больше гидравлического диаметра соединительного канала, в других предпочтительных вариантах конструкции >20%, >40%, >50% (отверстие может быть в области входа или суженным просветом; с однозначным соответствием между барьером и каналом - «один к одному»), лучше, если длина отверстия составляет, по крайней мере, 50 микрометров, не более 90% канала. Образование накипи, осадка или пробки в верхних (головных) или нижних коллекторах микроканала с частичным кипением, если общее количество растворенных в воде твердых веществ TDS>1 промили (миллионной части) [ppm] (вызванное низкой скоростью потока в верхних коллекторах), в то время как в каналах наблюдается высокая скорость потока). Поток распределился, по крайней мере, в 4 или большее количество зон поперек наружной поверхности входного отверстия матрицы параллельных микроканалов для первого распределения, перед вторым распределением в матрицу из, по крайней мере, 4 или более параллельных микроканалов (например, см. пример испарителя с низким давлением).
Частичное кипение определяется как процесс для выпаривания жидкости и для получения жидкостно-паровой смеси.
Экзотермические реакции включают: реакцию Фишера-Тропша [Fischer-Tropsch]; алкилирование; окисление до насыщения кислородом или нитрила; димеризацию; полимеризацию; гидрирование, гидродесульфурацию, гидроочистку или гидрокрекинг; прямое соединение водорода и кислорода в виде перекиси водорода.
Экзотермические процессы включают единичные операции, при которых происходит освобождение энергии, включая такие разделения, как абсорбция или адсорбция, фазовые преобразования и экзотермические химические реакции.
В различных аспектах это изобретение включает экзотермический процесс, который передает тепло в канал (10 мм или меньше), который содержит кипящую жидкость и может учитывать любую из следующих концепций или любую комбинацию этих концепций:
процесс частичного кипения в микроканале с химической реакцией в смежной реакционной камере;
процесс частичного кипения в микроканале с химической реакцией в смежном реакционном микроканале;
процесс частичного кипения в микроканале с химической реакцией в смежной реакционной камере, посредством чего температура катализатора повышается менее чем на 30°С (предпочтительнее, если менее чем на 10°С, 5°С, 3°С) вдоль длины реакционной камеры, а время реакционного контакта составляет менее 300 мс;
процесс частичного кипения в микроканале с процессом изменения фазы в смежной технологической камере;
процесс частичного кипения в микроканале с процессом изменения фазы в смежном технологическом микроканале;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом дистилляции жидкой смеси, по крайней мере, двух жидкостных компонентов в смежном технологическом микроканале;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом изменения фазы в смежной технологической камере, в силу чего подъем температуры в технологической камере составляет менее 10°С;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом смешивания в смежной технологической камере;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом смешивания в смежном технологическом микроканале;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом смешивания в смежной технологической камере, в силу чего подъем температуры в камере смешивания составляет менее 5°С;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом ферментации в смежной технологической камере;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом ферментации в смежном технологическом микроканале;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом ферментации в смежной технологической камере, в силу чего подъем температуры в камере смешивания составляет менее 10°С;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом абсорбции в смежной технологической камере, в силу чего подъем температуры в абсорбционной камере составляет менее 10°С; где есть температурный диапазон длиной 5°С или менее на протяжении, по крайней мере, 80% времени цикла адсорбции тепловых колебаний; где есть температурный диапазон длиной 5°С или менее на протяжении, по крайней мере, 80% времени для десорбции;
процесс частичного кипения в микроканале при >10 каналов и добротности распределения потока <20%; а лучше менее 10%; а еще лучше менее 5%;
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом адсорбции в смежной камере; и/или
процесс частичного кипения в микроканале вместе с процессом адсорбции в смежном микроканале.
В различных аспектах изобретение включает экзотермический процесс, в ходе которого происходит передача тепла в микроканал, который содержит кипящую жидкость, которая имеет растворенные твердые вещества (например, водопроводная вода), и может включать любую из следующих концепций или любую комбинацию этих концепций: процесс частичного кипения в микроканале с более чем 3 циклами, где эффективность теплообменника меняется менее чем на 2%, если сравнивать до и после цикла в следующем диапазоне: 0.01 промиль (миллионных частей) ppm > общее количество твердых веществ, растворенных (TDS) в кипящей жидкости < 15 промиль (миллионных частей) ppm; процесс частичного кипения в микроканале при 0.01 промили (ppm)>TDS в кипящей жидкости < 5 промиль (ppm) в течение, по крайней мере, 1000 часов с 5% или менее (а лучше 2% или меньше) изменением температуры на выходе в смежном технологическом микроканале; процесс частичного кипения в микроканале при 0.01 промили (ppm)>TDS в кипящей жидкости < 1 промили (миллионных частей) (ppm) в течение, по крайней мере, 1000 часов с 5% или меньшим (а лучше 2% или меньше) изменением температуры на выходе в смежном технологическом микроканале; процесс частичного кипения в микроканале с 0,01 промили (ppm)>TDS в кипящей жидкости < 15 промиль (ppm) в течение, по крайней мере, 100 часов с 5% или меньшим (лучше 2% или меньше) изменением температуры на выходе смежного технологического микроканала; процесс частичного кипения в микроканале с Р>100 фунт-сил на квадратный дюйм (psig) в течение, по крайней мере, 1000 часов с 5% или меньшим (лучше 2% или меньше) изменением температуры на выходе смежного технологического микроканала; и/или процесс частичного кипения в микроканале при <50% кипения в течение, по крайней мере, 1000 часов с 5% или меньшим (лучше 2% или меньше) изменением температуры на выходе в смежном технологическом микроканале.
В любом из случаев, описанных в предыдущем абзаце, кипящая жидкость состоит из, по крайней мере, 0.01 общего количества растворенных в воде твердых веществ (TDS), если не указано другое значение этого параметра.
С другой стороны, это изобретение предоставляет процесс частичного кипения в микроканале, где число SR меньше 0.001 при длине микроканала 4.0 дюймов или больше.
Кроме того, это изобретение можно охарактеризовать как процесс частичного кипения для поддержания колебания температуры в смежном технологическом канале, где происходят экзотермические реакции при температуре, которая менее чем на 5% выше температуры технологического потока у входного отверстия (К, абсолютная шкала температур). Или где есть уменьшение подъема температуры на технологическом участке больше чем на 50% по сравнению с теплообменом при однофазовой конвекции (К, абсолютная шкала температур).
Это изобретение также включает использование микроканала для выполнения устойчивого теплообмена при частичном кипении (в соответствии с тем определением, которое дано в примере 3) в канале, у которого отношение длины канала к гидравлическому диаметру равно или превышает 1000, а длина составляет 15 см или больше.
В данном изобретении также предлагается метод частичного кипения в микроканале, где излишняя (избыточная) температура (Tw-Ts) равняется или меньше следующей функции
56353×Во+1.4315
от Во=1.0Е-06 до 1Е-04, для 3 или более каналов, когда длина каждого канала L больше 15 см.
Кроме того, в этом изобретении предлагается система, где излишняя температура (Tw-Ts) равна или меньше следующей функции
56353×Во+1.4315
от Во=1.0Е-06 до 1Е-04, для 3 или более каналов, где отношение среднего максимального потока к минимальному тепловому потоку составляет 3:1 или больше, а длина каждого канала равна, по крайней мере, 15 см (лучше, если она больше 20 см). С другой стороны, излишнюю температуру можно определить как равную 4.84Е9* число SR+2.15 С+/-2С для кипения в микроканале.
Это изобретение также предоставляет установку для регулирования частичного кипения в мини- или микроканалах. Представленный вариант конструкции этой установки включает регулятор давления и/или стабилизатор, расположенный вдоль по направлению канала или матрицы каналов.
Данное изобретение также предлагает метод (или систему) для регулирования температуры в матрице каналов в устройстве, имеющем матрицу технологических каналов, которая находится рядом с матрицей каналов с частичным кипением, включая прохождение жидкости в магистраль и из магистрали в матрице каналов теплообмена, которые находятся рядом с матрицей технологических каналов, где происходит экзотермический процесс. Поток жидкости с теплообменом регулируется таким образом, чтобы поток в каналах с теплообменом менялся так, чтобы соответствовать той меняющейся теплоте, которая отводится каналами в матрице технологических каналов. Поток в каналах с теплообменом регулируется для того, чтобы обеспечить устойчивое частичное кипение в матрице тех каналов с теплообменом, которые получают меняющееся количество тепла. В представленном варианте конструкции поток в матрице каналов с теплообменом ориентирован перпендикулярно (поперек) по отношению к потоку матрицы технологических каналов. Один пример такой системы представлен в примере 12.
rd
Касательное напряжение в направлении скорости u можно рассчитать по формуле Fx=mu·du/dy, где mu - внутреннее трение (вязкость), a du/dy - градиент скорости для нормали потока жидкости к стенке микроканала. Однако для определенного местоположения жидкости (которое представлено управляющим элементом) скорость обычно имеет три компонента, и касательное напряжение также имеет три компонента. Что касается потока канала около и на поверхности, то можно сделать одно предположение относительно размеров (размерное допущение), a Fx может приближаться к конечному сдвигу у элементной поверхности жидкости. Используя вычислительную гидрогазодинамику, в том числе такие коммерческие пакеты программного обеспечения, как «Fluent» или «FEMLAB», можно решить необходимые уравнения переноса, и таким образом рассчитать силу сдвига поверхности. Касательное напряжение поверхности можно рассчитать по длине канала, параллельно направлению потока. Касательное напряжение у стенки также можно рассчитать между параллельными каналами, где учитываются влияния распределения потока при определении потока массы в каждый параллельный канал как функции подробной геометрии канала и магистрали. Дополнительные методы рассчетов (вычислений) можно найти, например, в "Fundamentals of Fluid Mechanics" [Основные Принципы Механики Жидкостей], 3 Ed., B.R.Munson, D.F.Young and Т.Н.Okiishi, [Б.Р.Мансон, Д.Ф.Янг и T.X.Окииши] John Wiley & Son, Inc., Weinheim, 1998.
В одном варианте конструкции сила сдвига или коэффициент отклонения напряжения (SFDF) для процесса, при котором используется один технологический микроканал, может составлять приблизительно 50% от SFDF для увеличенного в масштабе процесса, в котором используются многочисленные технологические микроканалы. SFDF может быть рассчитан, используя формулу
max
min
mean
max
min
mean
SFDF=(F-F)/(2F), где: F - максимальное касательное напряжение в технологическом микроканале для конкретной жидкости; F - минимальное касательное напряжение в технологическом микроканале для этой жидкости; и F - среднее арифметическое касательное напряжение для жидкости на поверхности стенки микроканала. В рамках одного технологического микроканала, который работает в соответствии с процессом, обладающим признаками изобретения, SFDF может быть меньше 2, в другом варианте конструкции - меньше 1, в следующем варианте - меньше 0.5, и в следующем варианте - меньше 0.2.
max
min
mean
В одном варианте, этот патентоспособный процесс может обеспечить относительно одинаковое касательное напряжение при задействовании множества технологических микроканалов. Чтобы измерить однородность касательного напряжение среди большого количества технологических микроканалов, для каждого канала рассчитывается среднее касательное напряжение, и затем эти значения сравниваются друг с другом. F - это максимальное значение среднего касательного напряжения канала, a F - минимальное значение среднего касательного напряжения. F - среднее значение для средних касательных напряжений у всех каналов. SFDF можно рассчитать по этим значениям. Среди большого количества технологических микроканалов, по крайней мере, в одном варианте патентноспособного процесса, SFDF может быть меньше 2, в другом варианте - меньше 1, в следующем варианте - меньше 0.5, и еще в одном варианте - меньше 0.2.
В целом, касательное напряжение в микроканале намного больше касательного напряжения в канале большего размера. Предпочтительнее если минимальное касательное напряжение стенки для микроканала равно, по крайней мере, 1 Па, и более предпочтительно если в среднем для микроканала оно больше 10 Па.
Частичное кипение позволяет очень хорошо регулировать температуру стенки между кипящей жидкостью и чередующимися единичными операциями. Эта стенка является почти изотермической по своей длине, и при этом она устойчива по отношению к возмущающим воздействиям в условиях технологического процесса в пределах диапазона (окна) рабочих параметров для регулирования этого процесса, включая интенсивность потока, температуру входного отверстия, давление во входном отверстии и др. Многие единичные операции имеют полезную (выгодную) функциональность с точки зрения регулирования при частичном кипении, включая экзотермические химические реакции, дистилляцию, адсорбцию, абсорбцию, конденсацию, смешивание эмульсий, смешивание повышенной растворимости и ферментацию.
Экзотермическим реакциям часто мешают нежелательные побочные продукты, образованию которых благоприятствуют высокие температуры. Поскольку тепло выделяется из основного и желаемого пути (маршрута) реакции, часто оно не может быть удалено при той же скорости (интенсивности), которая генерируется обычным оборудованием для теплообмена. Более высокая скорость отвода тепла путем использования частичного кипения позволяет проводить экзотермическую реакцию ближе к изотермической и таким образом понизить скорость образования нежелательных продуктов. Помимо этого при более высокой температуре многие экзотермические реакции становятся более ограниченными по равновесию, и одним из примеров этого является реакция смещения водяного газа. Желательным результатом является проведение реакции при более высокой температуре в переднем конце реакционного аппарата и при более низкой температуре около выхода реакционного аппарата. Многочисленные зоны теплообмена можно расположить по длине реакции, и поэтому каждая такая зона использует частичное кипение при разной температуре для уменьшения температуры реакции по всей ее длине. Экзотермические реакции могут быть либо каталитическими или гомогенными.
Реагент или реагенты, а также катализатор могут быть выбраны для таких реакций, как: ацетилирование, реакции присоединения, алкилирование, деалкилирование, гидродеалкилирование, восстановительное алкилирование, ацетилирование, аминирование, насыщение аммиаком, синтез аммиака, ароматизация, арилирование, автотермический реформинг, карбонилирование, декарбонилирование, восстановительное карбонилирование, карбоксилирование, восстановительное карбоксилирование, восстановительное взаимодействие, конденсация, крекинг, гидрокрекинг, циклизация, циклоолигомеризация, дегалогенация, демиризация, гидратация, эпоксидирование, эстерификация (образование сложного эфира), обмен, реакцию Фишера-Тропша, галогенация, гидрогалогенация, гомологизация, гидратация, дегидратация, гидрирование, дегидрирование, гидрокарбоксилирование, гидроформилирование, гидрогенолиз, гидрометаллизация, гидросиланирование, гидролиз, гидроочистка (HDS/HDN), изомеризация, метилирование, деметилирование, перестановка (обмен), полимеризация, восстановление, переформирование, обратное смещение водяного газа, реакцию Сабатье [Sabatier], сульфирование, теломеризация, трансэстирификация, тримеризация, а также смещение водяного газа.
Дистилляции способствует тщательный контроль температуры равновесия фазы на многочисленных этапах по всей длине блока дистилляции. Благодаря частичному кипению на каждом участке будет такой процесс, который будет очень близок к изотермическому процессу. Это даст возможность подстроить (приспособить) то количество энергии, которое нужно добавить на каждый этап для того, чтобы уменьшить общую потребляемую энергию.
Адсорбции, особенно адсорбции тепловых колебаний, способствует быстрое добавление или отвод тепла во время этапов десорбции и адсорбции соответственно. Частичное кипение предусматривает, чтобы десорбция была разбита на фазы (ступени) таким образом, чтобы работать почти в изотермическом режиме на протяжении времени цикла, а не иметь диапазон температур, который создается отводом конвективного тепла с использованием жидкости. Более изотермический температурный профиль во время десорбции должен предусматривать более высокую степень регенерации (восстановления) сорбатов из адсорбента, и таким образом, в целом более высокую эффективность системы.
Процессы абсорбции зависят от растворяемости сорбата в рабочей жидкости во время абсорбции перед затеканием к блоку десорбции. Тепло от абсорбции, освобожденное во время поглощения жидкости, не является незначительным и может уменьшить общую емкость рабочей жидкости. Почти изотермический режим работы во время абсорбции увеличил бы поглощение абсорбата (абсорбируемого вещества) и эффективность системы. Кроме того, частичное кипение во время десорбции позволило бы циклу десорбции работать почти в изотермическом режиме и сократить то время, которое необходимо для десорбции через эффективный теплообмен.
Объединение частичного кипения и конденсации обеспечивает преимущества в виде более высокой эффективности теплообмена и уменьшения размеров аппаратного обеспечения. Интегрирование тепла на промышленных химических предприятиях является важной составляющей для оптимизации капитальных и эксплуатационных расходов. Интегрированный теплообмен конденсирующейся и кипящей жидкости может сократить потребность в дополнительных рабочих жидкостях для каждой единичной операции.
Экзотермические реакции, которые можно поддержать путем частичного кипения в микроканале, включают реакции полимеризации. Рассмотренные концепции, обладающие признаками изобретения, могут достигать высокой интенсивности теплообмена на больших расстояниях, которые были бы необходимы для обработки полимеров. Способность частичного кипения удалять большие экзотермы реакционного аппарата, которые видны в эффекте Тромсдорффа [Trommsdorffj, может помочь устранить технологические сбои (отказы), которые делают полимеризации в сыпучих материалах и растворах опасными. Эффект Тромсдорффа имеет место, когда поток полимеризации испытывает массивный рост цепи, который приводит к большому экзотермическому тепловыделению и резкому снижению этапа реакции обрыва цепи в результате изменения вязкости (внутреннего трения). Эффект Тромсдорффа может вызвать значительное увеличение вязкости потока и тем самым затруднить закачку потока, а также стать причиной образования полимеров с большим молекулярным весом, которые могут внести перекос (сдвиг) в распределение молекулярного веса или привести к возникновению нерастворимых включений (карманов) в потоке.
Тепло, выделенное при смешивании, не может быть незначительным для многих жидкостных смесей. По мере того как температура жидкой смеси увеличивается, также могут изменяться и свойства, включая растворимость, устойчивость фазы, а также тепловые и жидкостные свойства. При отводе теплоты из смешивания с использованием частичного кипения будет предусматриваться (приниматься во внимание) более изотермический режим работы и подбор окончательных свойства жидкостной смеси.
Процессы ферментации оптимизируются более изотермическим режимом работы, который предоставляется частичным кипением. Неадекватный (недостаточный) отвод тепла повышает температуру во время процесса ферментации и, в свою очередь, это может уменьшить устойчивость соответствующих ферментов или дрожжей или изменить маршруты реакции. Например, то тепло, которое было выделено в результате брожения при изготовлении вина, должно быть замедлено, чтобы сохранить качество конечного продукта. Способность отводить тепло с большей и более регулируемой скоростью при использовании частичного кипения могла сократить то время, которое необходимо для изготовления вина, с многих недель или месяцев до нескольких дней или и еще меньше. Более того, можно было бы представить микроканальное устройство для изготовления вина с пограничной зоной (слоем) активных дрожжей на стенках микроканала для инициирования (начала) реакции брожения вместе с отводом тепла из микроканала (включая частичное кипение) на соседней стенке. Более того, дрожжи можно было бы адаптировать к стенкам микроканала таким образом, чтобы при этом были использованы изделия либо из дуба, либо из других пород древесины. При этом одна сторона стенки микроканала, где изготавливается вино, могла бы быть сделана из одноразовой сетки (матрицы) каналов (из дуба или других пород древесины) для синтеза вина. В качестве альтернативы, все это устройство можно было бы сделать из древесины или такого материала, который улучшает качество продукции.
Что касается системы, где потоки хладагента через матрицу выровненных микроканалов используют для отвода постоянного теплового потока из насыщенного входного потока, небольшие отличия в скоростях потока массы входного канала от средней величины или заданного значения для подогнанного (привязанного к месту) распределения могут привести к большим различиям в сухости пара на выходе и повлиять на распределение потока хладагента. Если конструкция магистрали (трубопровода) не может обеспечить одинаковые потоки или почти одинаковые потоки с показателем добротности меньше 10% (показатель добротности указан в отпечатанной [опубликованной, изданной] заявке №2005/0087767 на патент США), через матрицу эквивалентных соединительных каналов с таким же тепловым потоком стенки, и удельный массовый расход в канале меньше заданной величины, то ожидается, что постоянно подводимая теплота увеличит локальное массовое паросодержание по всему каналу и вызовет более значительное падение давления. Это видно из уравнения для падения давления Лохарта-Мартинелли [Lockhart-Martinelli] (2) с зависимостями локального массового паросодержания первого и второго порядка. Те каналы, в которые магистраль трубопровода подает большее количество потока, будут испытывать меньшую сухость пара на выходе (чем было задано) и, наоборот, к более низкой локальной сухости пара через канал. Дополнительное воздействие - это механизм обратной связи, который компенсирует более низкую сухость пара за счет большего потока и сдерживает поток с большей сухостью пара с помощью меньшего потока, еще более обостряя (углубляя) неравномерное распределение потока. Последнее воздействие опасно для режима работы, когда желательный рабочий диапазон находится возле критического (удельного) теплового потока для предусмотренных конструкцией интенсивностей потока. В этих случаях неравномерное распределение потока может вызвать нестабильность локального отвода тепла, которая может представлять опасность для той единичной операции, которая регулируется частичным кипением.
Это является основным требованием (задачей) для разработки при проектировании систем частичного кипения.
Еще одним приложением, где частичное кипение могло бы играть важную роль при регулировании температуры, могло бы стать производство (получение) пара из конвективного кипения в ядерных реакторах. Конвективное кипение используется в ядерных реакторах с охлаждением, и потенциально эти изобретения могут увеличить тот критический тепловой ноток, с которым может обращаться эта система, а для отвода больших тепловых потоков, которые вызвали бы опасную работу реактора, можно использовать надлежащую конструкцию магистрали трубопровода.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Схема режимов кипящего потока в микроканале
Фиг.2. Схема примеров кипящего потока в микроканале.
Фиг.3. Перегрев стенки для образования зародышей (пузырьков).
Фиг.4. Кривые кипения; влияние пористой структуры и вывода кристалла с ребрами.
Фиг.5. Кривая теплового потока технологического процесса в зависимости от кривой критического теплового потока (CHF).
Фиг.6. Разделение канала охлаждения для увеличения критического теплового потока (CHF).
Фиг.7. Каналы охлаждения, разделенные на 3 канала. Технологический канал располагается выше и/или ниже плоскости страницы.
Фиг.8. Канал охлаждения с меняющимся размером зазора (интервала).
Фиг.9. Схема устройства для частичного кипения.
Фиг.10. Схема местоположения термопар в устройстве, показанном на фиг.9.
Фиг.11. Схема тестового цикла (цикла проверки) для тестирования устройства частичного кипения, показанного на фиг.9.
Фиг.12. Изменение температуры стенки по длине потока в различных тепловых потоках.
Фиг.13 Изменение сухости пара (паросодержания) на выходе или истинного объемного паросодержания в зависимости от теплового потока.
Фиг.14. Влияние скорости потока массы на температурный профиль стенки
Фиг.15. Падение давления как функция среднего теплового потока для 24-дюймовой установки (устройства) для тестирования частичного кипения.
Фиг.16. Зависимость избыточной (излишней) температуры от показателя кипения.
Фиг.17. Зависимость избыточной (излишней) температуры от соотношения SR.
Фиг.18 Микроканальный реакционный аппарат (реактор) для производства VAM.
2
Фиг.19. Профиль теплового потока на стенке канала (скорость потока массы на технологическом участке 146.2 25 кг/мс).
2
in
Фиг.20. Профили температуры по всей длине реактора, с использованием различных схем теплоотвода (скорость потока массы на технологическом участке составляет 146.2 кг/мс, T=160°С).
Фиг.21. График изменения температуры вдоль средней линии слоя катализатора для микроканального VAM реактора. Сравнение частичного кипения с однофазным конвективным теплообменом.
in
in
T (технологического процесса) = 180°С; T (охлаждения) = 180°С; V (охлаждения)=0.3 м/с.
Фиг.22а. Ядро реакционного аппарата Фишера-Тропша (FT), соответствующее Примеру 5. Отверстия на верхней стороне (лицевой поверхности) - это измерительные каналы для ввода термопар.
Фиг.22b. Перспективное (объемное) изображение с пространственным разделением деталей; трехмерное представление деталей реактора и свариваемая деталь в Примере 5.
Фиг.22с. Зависимость температур потока от времени для реактора Фишера-Тропша с многоканальным поперечным потоком в Примере 5. "ТС" - англ. аббревиатура (thermocouple) для термопары.
Фиг.23. Корпус устройства парообразователя с низким давлением с боковыми верхним и нижним коллекторами для воды. Верхний и нижний коллекторы для воды не показаны.
Фиг.24. Корпус устройства парообразователя с низким давлением с боковыми верхним и нижним коллекторами для воздуха. Верхний и нижний коллекторы для воды не показаны.
Фиг.25. Верхний коллектор воды в парообразователе (испарителе) с низким давлением.
Фиг.26. Схема изображения системы частичного парообразователя.
Фиг.27. Парообразователь с низким давлением, общее количество растворенных в воде твердых веществ составляет 1-2 промили (ppm).
Фиг.28. Парообразователь с низким давлением, подача грязной воды.
Фиг.29. Схема поперечного сечения микроканального парообразователя.
Фиг.30а. Профиль стенки и температуры жидкости в микроканальном парообразователе.
Фиг.30b. Профиль стенки и температуры жидкости в макроканальном парообразователе.
Фиг.31а. Профиль сухости пара в микроканальном испарителе.
Фиг.31b. Профиль сухости пара в макроканальном испарителе.
Фиг.32. Маленькие пузырьки, полученные в микроканалах.
Фиг.33. Большие пузырьки, полученные в больших каналах охлаждения.
Фиг.34а. Конфигурация и расположение потока в многоканальном реакционном аппарате (реакторе).
Фиг.34b. Пример внешней измерительной диафрагмы в верхнем коллекторе.
Фиг.35. Падение давления и диаметр измерительной диафрагмы при заданном профиле теплового потока для сухости пара на выходе Х=0.3
Фиг.36. Реакционный аппарат с поперечным потоком.
Фиг.37. Определения и размеры канала модели, (не в масштабе).
Фиг.38. Скорости потока массы секционного канала (нижняя ось X) и температура на выходе (верхняя ось X) для случая (3.0 литров в минуту (LPM)).
Фиг.39. Изменение коэффициента Локхарта-Мартинелли - С в зависимости от сухости пара.
Фиг.40. Отношение измеренного коэффициента теплообмена к коэффициенту однофазного теплообмена входного отверстия, изображенного в зависимости от сухости пара на выходе канала.
Пример 1. Модификации свойств кипящей жидкости
Для многих приложений отвод тепла с использованием кипящей жидкости является процессом с замкнутым циклом. При этом кипящая жидкость совершает цикл между блоком кипения, где происходит захват тепла, и блоком конденсации, где тепло отводится (выпускается) во вторую рабочую жидкость или в окружающую среду. Для этих систем в кипящую рабочую жидкость желательно добавлять поверхностно-активное вещество. Поверхностно-активное вещество может действовать в качестве стабилизатора маленьких пузырьков, которые образовались во время увеличения диапазона пузырькового кипения при работе микроканального блока. Стабилизация маленьких сформированных пузырьков может позволить блоку частичного кипения работать с более высокой степенью кипения проходящей жидкости. Другими словами, процесс может работать при 10%, или 30%, или даже 50% или большем количестве кипящей жидкости, которая может испариться за один проход, не допуская высыхание или образование места перегрева. Итоговое уменьшение общей скорости потока для кипящей жидкости уменьшает размер связанного с этим устройством вспомогательного оборудования, включая насосы и клапаны.
Пример 2. Распределенное частичное кипение в микроканалах
Для проведения экзотермических реакций теплопередача при частичном кипении в микроканалах интегрируется с микроканальными реакционными аппаратами. Для эффективного отвода теплоты реакции каналы охлаждения можно расположить по различным схемам соединения. Если посмотреть на график изменения (кривую) частичного кипения, то мы увидим, что тепловой поток имеет большой положительный градиент после участка однофазного охлаждения. По той технологической стороне, где имеют место экзотермические химические реакции, пик теплового потока обычно происходит вскоре после начала реакционной зоны. Его точное местоположение определяется скоростью потока реагента, размерами реакционного аппарата и характеристиками слоя катализатора, если в реакторе используется катализатор. На типовой кривой теплового потока по технологической стороне видно, что она достигает максимума возле начала реакционного аппарата. Путем разработки конструкций охлаждающих каналов с различными типами соединений кривые теплового потока как с технологической стороны, так и со стороны охлаждения можно выровнять таким образом, что охлаждение частичного кипения может соответствовать желаемой возможности отвода тепла прямо на месте.
На фиг.5 показана главная проблема при разработке конструкции (проектировании) теплообмена при частичном кипении для экзотермических микроканальных реакционных аппаратов (реакторов). Тепловой поток с технологического участка - требование для изотермического процесса - становится максимальным через короткое расстояние от начала реакционной зоны. Типичный график изменения (кривая) критического теплового потока (CHF) имеет отрицательный наклон вдоль охлаждающего канала. Если обратить внимание на кривую критического теплового потока (CHF) в виде пунктирной линии, то с учетом давления в охлаждающемся канале, скорости потока хладагента, входной температуры хладагента и размера зазора (интервала) между каналами, высыхание будет происходить возле необходимого пикового значения теплового потока. Чтобы сделать частичное кипение устойчивым, можно установить такие параметры, чтобы получить кривую критического теплового потока (CHF) выше кривой теплового потока в любом месте по всей длине.
Конфигурация 1: для улучшения характеристик частичного кипения охлаждающий канал можно разделить. Канал с хладагентом может иметь начальную область с однофазным охлаждением, за которым следует вторая, разделенная на еще более мелкие участки (подразделенная) область, которая может иметь один, два или большее количество стенок, которые разделяют каналы с хладагентом на подканалы, в которых происходит частичное кипение; например, подразделенные на два канала, каждый из которых совместно (с другим каналом) использует стенку теплообмена с реакционным каналом. Разделяющие стенки могут быть параллельны или, что более предпочтительно, перпендикулярны высоте реакционных каналов так, что тепло проводится через стенку непосредственно от реакционного канала в канал с хладагентом.
Конфигурация 2: один канал охлаждения разделяется на несколько каналов недогрева (см. фиг.7). При проектировании местоположение разделения определяется таким образом, чтобы обеспечить совмещение (синхронизацию) с пиком профиля теплового потока технологического участка. Более меньший размер зазора каналов с частичным охлаждением может достичь большее значение критического теплового потока (CHF). Другими параметрами конструкции являются габаритные размеры канала недогрева, ширина (W) и высота зазора (интервала) (Н). Отношение ширины канала к его длине (W/H) находится в пределах от 5 до 10. При разделении одного канала охлаждения на несколько более меньших каналов охлаждения все стороны охлаждающих каналов становятся поверхностями с теплообменом. По сравнению с охлаждающими каналами с таким же размером реакционных каналов, площадь поверхности теплообмена на единицу объема реакционного аппарата (реактора) увеличивается в 2-3 раза.
Конфигурация 3: конструкция охлаждающего канала проектируется таким образом, что размер зазора (интервала) по длине охлаждающего канала изменяется.
Скорость потока охлаждающей жидкости увеличивается в тех местах, где размер зазора является небольшим. Более высокое значение критического теплового потока можно достичь в тех местах, где размер зазора небольшой. Точный профиль размера зазора разработан на основании необходимости отвода тепла от технологической стороны - см. фиг.8.
Пример 3 - Частичное кипение в микроканале
Для тестирования частичного кипения в микроканалах было изготовлено устройство из нержавеющей стали. Это устройство было сделано путем сваривания двух пластин из нержавеющей стали с фрезерованными микроэлементами конструкции, которые при сборке образовывали микроканалы. Для изготовления путей для движения потоков (протоков) в микроканалах, пластину из нержавеющей стали 1 соединили с пластиной из нержавеющей стали 2. Общая длина пластин и, следовательно, микроканалов составляла 60 см. Общая ширина пластин составляла 1.5'' (3.8 см). Номинальная толщина обеих пластин из нержавеющей стали 5/16'' (8 мм). Для облегчения сварки пластин на внешней кромке пластин была сделана небольшая канавка (фаска).
Микроканалы, образованные комбинацией из этих двух пластин, имели размер поперечного сечения 0.030''×0.018''. Отношение длины к гидравлическому диаметру составляло 1067. Микроканалы были отделены металлической стеной толщиной 0.018''. В общей сложности было изготовлено 14 таких микроканалов. В пластинах из нержавеющей стали были просверлены отверстия по длине микроканалов (в обеих пластинах наружная (верхняя) поверхность этих отверстий имела площадь 0.8 см × 60 см), как показано на фиг.9.
Эти отверстия были сделаны для того, чтобы вставить термопары и количественно оценить тепловой поток, используя измеренную температуру. Диаметр всех отверстий 0.022'', и для измерений температуры были использованы термопары типа К 0.020''. На фиг.13 показана схема расположения термопар на пластине из нержавеющей стали.
Термопары находились, в общей сложности, в 9 местах по длине микроканалов (60 см в одном направлении) на обеих пластинах из нержавеющей стали. Расстояние между соседними местами 2.95''. В каждом из мест с 1-ого по 9 было размещено по две термопары. Обе термопары уходили вглубь пластин из нержавеющей стали на 0.75''. В каждом из этих мест две термопары находились на расстоянии 0.01'' от кромки пластин, как показано на виде 1-1 на фиг.10.
Были размещены четыре дополнительные термопары. Эти термопары уходили вглубь пластины на 0.03'', и они были смещены на расстояние 0.04'' от тех термопар, которые находились на глубине 0.75'' (см.фиг.10). В каждом из этих мест две термопары были размещены с одной стороны от термопар, находящихся на глубине 0.75'', в то время как две оставшиеся термопары были размещены на противоположной стороне, как показано на виде II-II. Верхний и нижний коллекторы в виде бака имели одинаковые габаритные размеры, и они были спроектированы для равномерного распределения входящего потока.
С обеих сторон сваренных пластин, как показано на фиг.9, были размещены два ленточных нагревателя длиной 60 см и шириной 3.8 см. Эти нагреватели дают теплоту жидкости в микроканалах для кипения. На фиг.11 представлен тестовый цикл для проверки работы устройства. Этот тестовый цикл представлял собой систему замкнутого контура. Вода использовалась в качестве жидкости, а иногда - в качестве хладагента. Давление системы поддерживалось на уровне 507 фунтсил на квадратный дюйм (psig) у входного отверстия устройства.
Подогреватель нагревал воду до температуры насыщения. Любой полученный пар удалялся с помощью сепаратора у входного отверстия устройства. Для частичного кипения жидкости тепло подавалось в жидкость с помощью ленточных нагревателей. После этого частично кипяченную жидкость подавали через конденсатор (холодильник), чтобы охладить ее до температуры ниже температуры конденсации и подать ее обратно в насос, где производили нагнетание давления (наддув) перед отправкой в подогреватель. Таким образом создавалась система замкнутого контура. Для регулирования давления в системе устанавливали линейный (линейно расположенный) регулятор давления.
2
-5
-10
Испытания проводили при скорости потока 12 мл/мин/канал. Как показано на фиг.12, режим устойчивого состояния частичного кипения достигается в матрице чрезвычайно длинных микроканалов, где в качестве хладагента использовали воду. Устройство эксплуатировали при различных скоростях теплового потока от ленточных нагревателей (как указано на фиг.12), а постоянная температура была получена возле стенок канала, что говорит об успешном частичном кипении. Показатель кипения при q''=5.8 Вт/см 7.2×10. Согласно расчетам, число SR равно 7.8х10. Изменение сухости пара на выходе устройства показано на фиг.13.
На фиг.14 показано изменение профиля температуры стенки вдоль всей длины канала в зависимости от скорости входного потока массы. Как мы можем видеть из фиг.14, при скоростях потока = 12, 10 и 7.9 мл/мин/канал, температура стенки поддерживается в узком температурном интервале длиной 3°С, который указывает на частичное кипение в каналах. Однако, когда скорость потока понижается до 5.7 мл/мин/канал, температура стенки начинает повышаться, что указывает на полное испарение в канале.
Регулятор обратного давления, который используется на выходе системы тестирования, имел 25 секундный период колебания с амплитудой 2 фунт-силы на квадратный дюйм (psig). Легкие (слабые) колебания, показанные на графиках рабочих характеристик, - это результат влияния работы регулятора обратного давления, а не процесса частичного кипения. Очень маленькое изменение (вариация) давления (меньше чем 2 фунт-силы на квадратный дюйм (psi) наглядно свидетельствовало об устойчивом функционировании по времени.
Процессы, обладающие признаками изобретения, должны быть устойчивы. В данном случае устойчивость для процесса кипения в микроканале определяется следующим образом: частичное кипение считается устойчивым только при небольших отклонениях амплитуды колебания в измеренном давлении потока. Эти отклонения должны быть равны или меньше 5% от среднего абсолютного рабочего давления системы и характеристической частоты колебаний для отношения максимальной амплитуды к амплитуде шума менее 20. Таким образом, например, максимальное удвоенное колебание в давлении равно 5 psid, а среднее рабочее давление 505 psig=520 psia. Следовательно, отношение колебания к рабочему давлению равно 5 psid/520 psid=0.96%<5%. Более того, точность первичных преобразователей (датчиков) отборов давления, которые использовались в этом эксперименте, была не больше 0.5% от полной нагрузки давления при 1000 psia или 5 psi, и, таким образом, отношение максимальной амплитуды к шуму = 5 psid/5 psi=1<20.
Еще одной характеристикой, которую необходимо рассматривать для устойчивого частичного кипения, является отношение ширины канала к его высоте. В каналах с низким значением этого соотношения (ширина/высота) происходит большее удержание пузырьков во время начала образования пузырей на поверхности. Это, в свою очередь, приводит к условиям, которые способствуют коалесценции (слиянию) пузырьков, что, в конечном счете, приводит к возникновению пузырьков Тэйлора [Taylor] или пробок пара, которые занимают почти всю площадь поперечного сечения канала. Эти состояния могут привести к неустойчивым системам двухфазного потока. С другой стороны, каналы с большим значением отношения ширина/высота обеспечивают большую степень свободы по размеру ширины канала с увеличением объема (пузырька) без столкновения с другим близлежащим пузырьком перед отрывом пузырька от поверхности при кипении. Кроме того, живучесть (время существования) пузырьков Тэйлора (паровая пробка) частично зависит от геометрии пузырька. Считается, что пробки из цилиндрических пузырьков, которые, например, возникают в потоке трубки, очень устойчивы и будут продолжать существовать в течение длительного периода времени. Пузырьки Тэйлора, которые после нагнетания (наддува) должны занять место в каналах с большим значением отношения ширины к длине, будут иметь большую относительно плоскую поверхность (например, пузырек, зажатый между двумя параллельными пластинами). Плоская поверхность пузырька не может принимать более устойчивую цилиндрическую или сферическую форму, которая минимизирует свободную энергию поверхности, и поэтому меньшие отклонения в поле потока могут дестабилизировать пузырек Тэйлора и разбить его на пузырьки меньших размеров. Поэтому каналы с большим значением отношения ширины к длине, а именно те каналы, где такое отношение равно или больше 5, а лучше равное или больше 10, способствуют более устойчивому частичному кипению.
На фиг.15 показано изменение падения давления в зависимости от среднего теплового потока для этого устройства. По мере увеличения теплового потока, испарялось все большее количество жидкости и, следовательно, падение давления увеличивалось.
На фиг.16 и 17 составлены графики избыточной (излишней) температуры, разницы между средней (исключая две конечных точки) температурой стенки (Tw) и температурой насыщения (Т§), в зависимости от показателя кипения (Во) и числа SR, соответственно, для данных, рассмотренных на фиг.12 и 14. В набор этих данных не входит измерительная точка, где происходило высыхание (см. фиг.19), поскольку она не свидетельствует о конвективном кипении с большим теплообменом для других данных. Область ниже этих точек на фиг.16 и 17 является устойчивым процессом пузырькового кипения.
Касательное напряжение во время кипения для данного примера составляло в среднем 7.5 Па, максимальное касательное напряжение 10.6 Па, и минимальное касательное напряжение 1.7 Па при скорости потока 12 мл/мин на микроканал воды для канала размером 24''. Для этого случая средняя величина скорости сдвига по всей длине канала составляла 7425 Гц (hz), максимальная скорость сдвига 10253 Гц, и минимальная скорость сдвига в канале была 2036 Гц. Касательное напряжение и скорость сдвига рассчитывали, используя вычислительную (численную) гидродинамику, основанную на геометрии канала, скорости потока на один канал и режиме потока, где число Рейнольдса [Reynolds] - меньше 2000 для ламинарного потока.
Пример 4:
2
4
3
2
Теплообмен при частичном кипении применяется для производства мономера винилацетата (эфира винилуксусной кислоты) (VAM) в микроканалах. Размер поперечного сечения микроканалов, полученных в результате соединения пластин, составлял 0.05 мм×1.3 см. Зазор на реакционном участке равен 1 мм, а на участке хладагента 1 мм. На реакционном участке подается смесь из этилена (CH), кислотного газа (СНСООН) и кислорода (О) при температуре 160°С и давлении 8 атм. Микроканал заполняли катализатором в виде микрогранул с истинным объемным паросодержанием около 0.4.
В ходе реакции получения VAM мономера происходит выделение тепла в уплотненный слой, затем это тепло передается через стенки канала к поверхности на стороне с хладагентом, где хладагент испаряется. В этом примере в качестве хладагента использовалась вода. В начале слоя катализатора реагенты имеют самый высокий уровень концентрации и максимальную скорость реакции. Это приводит к асимметричному температурному профилю вдоль слоя катализатора. Соответственно, профиль теплового потока на стенке канала (фиг.19) также имеет максимум (пик) возле входного отверстия реакционного аппарата.
Место перегрева возле начала слоя катализатора нежелательно (пагубно) влияет на селективность желаемого продукта - VAM и выход годного продукта. Кроме того, срок службы катализатора будет сокращаться из-за высокой температуры. Желательно использовать VAM реактор в изотермических условиях или изменении температуры во время прохождения реакции в рамках плотного (сжатого) диапазона. На фиг.20 приведено сравнение температурных профилей по всей длине реактора, когда используются различные схемы отвода тепла. На этой фигуре четко видно, что когда для отвода тепла применяется частичное кипение, то изменение температуры вдоль длины реактора намного меньше. Еще одно преимущество при отводе тепла при частичном кипении заключается в том, что можно использовать высокоактивный катализатор для получения профилей температуры без больших всплесков (резких возрастаний до пиковых значений) по температуре, в то время как однофазное охлаждение при таких условиях невозможно осуществить.
Теплообмен при частичном кипении, который интегрирован в микроканальный реакционный аппарат (реактор) для получения VAM мономера, позволяет работать с более высокой производительностью. На фиг.21 показаны профили температуры по осевой линии слоя катализатора при четырех уровнях времени срабатывания контакта в зависимости от однофазной тепловой конвекции, как метод отвода тепла. Размер зазора у канала с хладагентом равен 1 мм. Толщина стенки 0.5 мм, а зазор канала на технологической стороне также равен 1 мм. Поток хладагента имеет среднюю скорость 0.3 м/с. При меньшем времени контакта или большей производительности, а температура в слое катализатора повышается до более высоких значений. Требование конструкции к подъему температуры состоит в том, что температура должна быть на 10°С выше температуры входного отверстия, которая в данном случае равна 180°С. При однофазной тепловой конвекции в качестве метода отвода тепла реакционный аппарат (реактор) не может работать при продолжительности контакта менее 250 мс. Если продолжительность контакта на технологической стороне составляет 250 мс, и если в качестве метода отвода тепла выбрано частичное кипение, то повышение температуры в слое катализатора меньше 10°С, что хорошо вписывается в тот диапазон, который допускается конструкцией.
Пример 5
Был протестирован многоканальный реакционный аппарат (реактор) для синтеза Фишера-Тропша [Fischer-Tropsch]. Конструкцией этого реактора предусматривались каналы для работы реакторного блока, при этом микроканалы этого реакционного аппарата были ориентированы в вертикальном направлении с потоком в направлении гравитации. Микроканалы теплообменника были ориентированы в горизонтальном направлении поперек технологических каналов. На фиг.22 показан вид обоих наборов каналов в ядре реакционного аппарата. Реактор был изготовлен из нержавеющей стали 316. В нем есть 9 технологических каналов высотой 0.050 см, шириной 12.5 см и длиной 11.3 см. При этом 7.5 см их длины используются для слоя катализатора. Слой катализатора изготовлен из алюмооксидного носителя с кобальтом. Есть 10 рядов каналов теплообменников, при этом каждый ряд располагается по бокам от технологического канала. В каждом ряду есть 11 микроканалов высотой 0.750 см, шириной 0.270'' и длиной 15 см. При этом расстояние между соседними каналами в одном ряду составляет 0.030'', а между соседними рядами 0.090''.
Для того чтобы получить равный поток во всех секциях реакционного аппарата использовался набор измерительных диафрагм для того, чтобы протолкнуть поток во внешние углы устройства. Эта проблема была обнаружена при тестировании потока. Эти измерительные диафрагмы показаны на фиг.22b. Перед входом в каналы поток входит в коллектор (головную часть), который показан на фиг.22b, а затем распространяется через диафрагму (проход) по внешнему периметру, а затем через другое выпрямительное (правильное) устройство. Температурные измерения активной зоны (ядра) этой системы проводились через измерительные каналы для ввода термопар, которые показаны на фиг.22а и 22b. Эти измерительные каналы находились близко к внешним каналам теплообменника, и они бы указывали на наличие температуры выше ожидаемой в условиях частичного кипения.
Скорость подачи исходных продуктов реакции в устройство "Therminol LT" составляла 50 мл/мин, а подача исходных продуктов в реакционный аппарат осуществлялась в соотношении молярной смеси водорода к угарному газу 2:1 при продолжительности контакта 250 миллисекунд. На фиг.22 с показаны данные изменения потока по времени для линейного изменения температуры до условий (реакции) и первоначальная производительность. Реакционный аппарат показывает, что температура охладителя во входном канале (отверстии) варьируется во время линейного изменения температуры до условия контрольной точки (заданного значения). Как только охладитель достиг заданной температуры контрольной точки, температуры наружного (поверхностного) слоя для этого процесса резко возросли до пиковых значений, которые были значительно выше точки кипения охладителя, при этом наивысшие показания были видны для входного канала, или верхней части слоя (основания) реакционного аппарата. Падение температур наружной поверхности наблюдается в направлении движения потока, но все эти температуры в течение продолжительного времени находятся выше точки кипения устройства "Therminol". Все эти повышенные температуры свидетельствуют о кризисе теплоотдачи при высыхании в большом количестве каналов. Те высокие температуры, которые видны вверху измерительного канала для ввода термопар в основании реакционного аппарата, свидетельствовали о высыхании, поскольку они были значительно выше температуры насыщения охладителя при расчетном давлении. Это показывает возможное наличие большого неравномерного распределения потока с верхней до нижней части (дна) канала, поскольку нижняя часть имеет более низкую температуру (близкую к рабочей температуре кипения), а точки вблизи верхней части канала имеют значительно более высокую температуру. Этот профиль температур указывает на то, что у нас, возможно, был смещенный поток охладителя: большая часть потока в каналах находилась около выходного отверстия (канала) реакционного аппарата, а меньшая часть - в верхней части канала реакционного аппарата. При высыхании канала теплообменника падение давления газовой фазы может быть гораздо больше, чем в каналах частичного кипения, в результате чего в дополнении к конвективному кипению возникает проблема структуры (схемы) распределения потока. Считается, что в течение этого времени катализатор Фишера-Тропша [Fischer-Tropsch] дезактивировался при повышенных температурах.
Пример 6
Была проведена серия экспериментов для оценки частичного кипения и оценки эффектов образования накипи (осадка) в микроканалах во время частичного кипения воды. Были проведены ускоренные тесты либо при 0.5-1 промилей (миллионных частей) или 10-20 промилей общего количества растворенных в воде твердых веществ (TDS) для количественной оценки воздействия накипи на кипящую сторону частичного испарителя.
Описание устройства
Эксплуатировались два частичных испарителя с низким давлением и один испаритель с высоким давлением. Для испарителей с низким давлением водяная сторона состоит из 12 каналов, каждый шириной 1'', длиной 1'' с промежутком (зазором) 0.020''. Вся конструкция представляет собой поперечный режим (форму) потока. Воздушные и водяные каналы чередуются друг с другом, при этом водяной канал является наиболее удаленным (крайним) каналом с обеих сторон. Это устройство было ориентировано таким образом, чтобы вода текла вертикально вверх (противоположно силе тяжести), а поток воздуха перемещался параллельно горизонтали.
Внутренняя конструкция коллектора (сборника) показана на фиг.25. Внутренний диаметр (ID) кругового (кольцевого) канала, указанного цифрой «1» составляет 0.180'', канала «2» 0.031'', канала «3» 0.063'', а канала «4» 0.100''. Вода текла вертикально вверх в трубку 1 (на фиг.25 представлен вид сверху вниз в соответствии с той ориентацией, в которой работало это устройство).
Нижний водный коллектор испарителя с низким давлением
Внутренняя конструкция нижнего коллектора представляет собой просто полость в форме пирамиды размером 1''×1'' в начале нижнего коллектора (по отношению к микроканалам), которая сводится на конус до круглого выходного отверстия размером 0.180''.
Перед тем как приступить к реальной длительной работе, для оценки распределения потока воды через верхние коллекторы, микроканалы и нижние коллекторы в испарителях, работающих при низком и высоком давлении, были изготовлены акриловые устройства. Используя деионизированную воду и пищевой краситель в качестве красящего вещества (красителя), окрашенная вода протекала через эти устройства с такой скоростью потока, которая равна скорости потока, использующейся при реальной длительной работе, а результаты были записаны на видеоленту. Видеоматериалы были просмотрены для того, чтобы определить, был ли поток равномерно рассеян (рассредоточен), и при необходимости в конструкции были сделаны изменения. Для верхнего коллектора испарителя с низким давлением был выбран метод крестообразного разделения, с помощью которого осуществлялась подача воды в четыре угла области микроканала. Что касается верхнего коллектора испарителя, работающего при высоком давлении, то для достижения равномерного распределения, очень важным моментом был выбор пароприемных листов. Выбранные в итоге конструкции были представлены выше.
Постановка экспериментов и работа установки.
Эксплуатировались два испарителя, один из которых работает при низком давлении, а другой - при высоком давлении, вся более подробная информация об их работе представлена ниже. Далее представлена блок-схема испытательных стендов для двух видов испарителей.
Частичные испарители эксплуатировались путем регулирования скорости потока в воздухозаборнике на горячей стороне испарителя и скоростью потока воды на холодной стороне испарителя. Перед поступлением в испаритель воздух нагревали через обычный нагреватель до нужной температуры. Воздух вытекал из частичного испарителя в микроканальный теплообменник, который предварительно нагревал подаваемую воду. Воду накачивали из резервуара через микроканальный теплообменник в частичный испаритель. Перед испарителем высокого давления стояла дополнительная задача по поддержанию постоянного обратного давления. Смесь воды и пара после выхода из частичного испарителя охлаждалась и конденсировалась.
На внешней поверхности испарителя с частичным кипением и во всех входных и выходных точках были установлены термопары типа К (ТС) компании «Omega Engineering». Для обеспечения должной работы была проведена калибровка и проверка работоспособности (верификация) контроллера потока массы с подачей воздуха от компании "Brooks" серии 5851е, первичных преобразователей (датчиков) давления от компании «NoShok» моделей 1001501127 и 1003001127, контроллеров с реле с механической блокировкой (реле с самоудерживанием) от компании «Omega» модели CN1 1653-С24, водяного насоса от компании «LabAlliance HPLC» серии 3 и предохранительных клапанов со скользящим давлением от компании «Swageiok» и т.д.
Скорость (интенсивность) воздушного потока была прокалибрована по первичному образцовому (эталонному) калибратору, «Dry-Cal DC-2M Primary Flow Calibrator», который был откалиброван и сертифицирован компанией «BIOS International». Первичные преобразователи (датчики) давления были прокалиброваны с помощью калибратора давления модели 718 1006 с модулем давления «Fluke 700P07» или 700Р06, которые были прокалиброваны и заверены в компании «Fluke». В качестве водяного насоса был использован насос от компании «Lab Alliance» модель IV HPLC. Датчик проводимости «Omega CDCE-90-X» был прокалиброван с использованием стандартов проводимости, которые были закуплены в компании «Cole Parmer». Вся система была сделана из трубок и соединительных деталей из нержавеющей стали марки «Swagelok 316».
Каждая система испарителя была протестирована под давлением путем подачи статического давления к линии водоприемника, а выходная линия при этом была закупорена. Приложенное давление составляло 80-90 psig для испарителя низкого давления и ~360 psig - для испарителя высокого давления, это давление было получено с помощью жидкого азота. Давление оставалось на этой стороне устройства. Одновременно, на воздушной стороне создавали давление величиной до ~40 psig. Если скорость утечки не превышает 0.5 psig за 15 минут, то система испарителя была готова к эксплуатации.
Запуск каждой системы испарителя осуществляется путем включения подогревателя и доведения воздушного потока до величин, указанных в плане эксплуатации. Когда система находилась в пределах ~35-45°С от нужной температуры, как указано в плане эксплуатации, в систему была введена вода. Воду запускали полным потоком, чтобы не избежать низких скоростей потока, которые имели бы очень высокий процент (долю) кипения и которые могли бы вызвать высыхание в каналах. В случае испарителя высокого давления, регулировка контрольного клапана обратного давления выполнялась до получения нужного рабочего давления. Микроканальный теплообменник прямо вверх по потоку каждого испарителя регулировали при температуре 10-20°С ниже точки кипения при их соответствующих величинах рабочего давления. Во время работы измеритель проводимости в емкости для подачи воды обеспечивал непрерывный контроль качества подаваемой воды.
Перед окончательным запуском проводили измерения потерь энергии путем эксплуатации системы при температуре на 10°С ниже точки кипения, а также путем измерения той энергии, которая подается в систему и выходит из нее. Первоначально потери системы составляли от 6 до 10% от имеющейся в системе энергии.
В приведенной ниже таблице перечислены соответствующие величины температуры, давления и скорости потока на входе и выходе каждого испарителя.
Таблица 1
Условия эксплуатации испарителя
Испаритель с низким давлением #1
Испаритель с низким давлением #2
Температура воздуха на входе (°С)
250
372
Температура воздуха на выходе (°С)
132
207
Температура воды на входе (°C)
86
85.5
Температура воды на выходе (°С)
104.6
100.3
Скорость воздушного потока (SLPM)
150
150
Скорость потока воды (мл/мин)
28.4
20
Давление воды на входе (psig)
2.9
0.7
Давление воды на выходе (psig)
2.6
0.1
Испаритель с низким давлением #1
Краткое описание работы
-6
Первый испаритель с низким давлением проработал 9125 часов (~380 дней), и во время работы он не показал никаких признаков ухудшений эксплуатационных характеристик. Он работал при испарении величиной ~31%, и общее количество твердых веществ, растворенных в подаваемой в него воде (TDS), составляло ~1 промилю (ppm). Вода имела следующий состав: кальций (Са) ~0.29 промили, магний (Mg) ~0.13 промили, фосфат ~0.19 промили и хлор (Cl)~0.15 промили. Энергия, которая поступала на испаритель через подачу нагретого воздуха, составляла ~391 Вт. Тепловые потери системы, измеренные перед полным запуском системы, составляли 39 Вт. Система работала при входном давлении ~2.9 psig и выходном давлении ~2.6 psig. Показатель кипения (ВО) во время нормальной работы был равен 0.00326, и число SR 1.39Е10.
Кроме этого система выдержала ~14 циклов или сбоев в технологическом процессе, без каких-либо изменений характеристик, что является наглядной демонстрацией стойкости частичного испарителя. Цикл определяется как отклонение от ожидаемого обычного режима работы. Различные циклы включают потерю потока воды при поддержании потока нагретым воздухом, потери мощности на подогреватель воздуха, в результате чего устройство охлаждается до комнатной температуры, а также потерю мощности во всей системе. В течение некоторых циклов, в частичном испарителе происходили периоды высыхания, однако, никаких осаждений или накоплений (наплыва) накипи не наблюдалось, более подробно этот вопрос рассматривается в следующем разделе. На фиг.38 показаны окончательные данные. Длительный срок службы и общая эффективность испарителя с частичным кипением показаны в Таблицах 2 и 3. В Таблице 2 показано, что в течение всего времени проведения эксперимента разность между температурой стенки канала и температурой вода/пар на выходе была маленькой. В Таблице 3 показана неизменившаяся эффективность испарителя (т.е. теплообменника) до и после двух типов циклов. Эффективность теплообменника определяется как фактическое тепло, переданное воздухом в воду, разделенное на максимально возможное тепло, которое могло бы быть передано воздухом.
Таблица 2
Испаритель с низким давлением # 1, разница температур между стенкой и выходом вода/поток
Выход пар/вода, (°С)
Стенка устройства, (°С)
Стенка устройства - выход прибора, (°С)
Общее время потока, (часы)
105.6
107.9
2.3
9125
Таблица 3
Испаритель низкого давления #1, сравнение эффективности испарителя до и после циклов
Вид цикла
Продолжительность (часы)
Эффективность теплообмена (НЕх) перед циклом
Эффективность теплообмена (НЕх) после цикла
Потеря потока воды
20
0.73
0.73
Потеря
2.5
0.72
0.72
подогревателя воздуха
Это устройство было проанализировано с точки зрения двух воздействий (влияний): первое и наиболее важное воздействие (влияние) было связано с поиском признаков образование накипи, осадка или пробки на воздушной или на водяной стороне, а второе - со снижением (ухудшением) физических свойств материалов, например, с питтингом (образованием поверхностных раковин) или коррозией.
Устройство было разрезано на части для визуального контроля (наблюдения) отсутствия накипи или осадка или нарастания (наплыва) макрочастиц в микроканалах. После этого устройство разрезали на восемь кубиков таким образом, чтобы также были видны центральные каналы прибора, и снова не было обнаружено никаких признаков накипи или осадка в воздушных или водяных каналах. При использовании сканирующего электронного микроскопа (SEM) никаких очевидных признаков питтинга (образования поверхностных раковин) не наблюдалось. Данные EDS указывают на то, что на поверхности была накипь, которая имеет обогащение по Fe, и в некоторых случаях по Cr, вероятно из-за металла подложки. Обычно находящиеся в жесткой воде элементы окалины, такие как Са и Mg, отсутствовали.
Испаритель с низким давлением #2
Краткое описание работы:
-6
Второй испаритель с низким давлением проработал 2041 час. Чтобы исследовать вероятное образование осадка в виде накипи, его (испаритель) отключили от линии трубопровода и сделали автономным. Предполагалось, что образование накипи было вызвано снижением сухости пара и увеличением температуры воздуха на выходе (т.е. водяной стороне передавалось меньшее количество тепла). Данные представлены на фиг.39. Испаритель работал при уменьшающейся сухости пара в пределах от ~85% до 50%, при подаче воды с общим количеством осажденных в ней твердых веществ (TDS) в диапазоне 12-15 промиль (ppm). Фактический состав воды был следующим: кальций (Са)~2 промили, магний (Mg)~0.9 промили, стронций (Sr)~ 0.27 промили, хлор (Cl)-0.67 промили, сульфат -1.8 промили и бикарбонат ~7 промили. Система работала при входном давлении ~0.7 psig и выходном давлении ~0.1 psig. Показатель кипения (ВО) в течение обычной (нормальной) работы составлял 0.0068, а число SR - 4.30Е10.
Также эта система продемонстрировала свою стойкость, поскольку она выдержала ~9 циклов без каких-либо изменений рабочих характеристик. Сбои (отказы) были такими же, что и у испарителя с низким давлением #1. Длительный срок службы и общая эффективность испарителя с частичным кипением приведены в Таблице 4, где показана неизменившаяся эффективность испарителя (т.е. теплообменника) до и после двух типов циклов. Эффективность теплообменника была определена ранее.
Таблица 4
Испаритель с низким давлением #2. Сравнение эффективности испарителя до и после циклов
Вид цикла
Продолжительность (часы)
Эффективность теплообмена (НЕх) перед циклом
Эффективность теплообмена (НЕх) после цикла
Потеря потока воздуха
20
0.73
0.73
Потеря мощности
2.5
0.72
0.72
системы
Анализ состояния испарителя после его эксплуатации.
После снятия верхнего и нижнего коллекторов с водяной стороны в них было обнаружено осаждение накипи. Кроме того, осаждения накипи распространились через области микроканалов. При визуальном осмотре с помощью бароскопа, накипь была равномерно распределена по областям микроканалов. Складывалось такое впечатление, что в аналогичных (сходных) областях каждый канал имел равное количество накипи. Это указывает на то, что по всей области микроканалов поток был однородным. С помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) и EDS была проведена оценка отложений накипи и было обнаружено, что эти отложения содержат значительное количество кальция (Са), кремния (Si), магния (Mg) и кислорода (О), и эти количества соответствовали тем содержаниям этих элементов, которые были определены для накипи в тяжелой воде. Кроме этого было обнаружено, что накипь содержит вещества, подобные кальциту, гипсу и другим типичным минералам, найденным в накипи жесткой воды. Таким образом, можно сделать вывод, что устройство страдало типичной от накипи жесткой воды.
Для этих примеров были проведены расчеты касательного напряжения и скорости сдвига. Геометрия испарителя с низким давлением: 1''×0.02''×1'', общее количество каналов 12. Жидкость: вода.
Скорость потока: 20 мл/мин (испаритель #2) и 28.4 мл/мин (испаритель #1) (общая скорость потока для устройства).
Расчет касательного напряжения и скорости сдвига.
Испаритель с низким
Испаритель с низким
давлением #1
давлением #2
Скорость сдвига: макс.(1/с)
35.3
24.8
Миним. (1/с)
5.65
4.0
Средняя (1/с)
34.8
24.5
Испаритель с низким давлением #1
Испаритель с низким давлением #2
Напряжение сдвига: макс.(Па)
0.036
0.026
Миним. (Па)
0.0029
0.002
Среднее (Па)
0.035
0.025
Как видно из этого примера, в течение частичного кипения касательное напряжение в микроканале было на два порядка ниже касательного напряжения для устройства, рассмотренного в Примере 3 с микроканалами длиной порядка 24 дюймов.
Таблица 6
Общее краткое описание рабочих характеристик частичного испарителя
Общее кол-во растворенных в воде твердых веществ (промили)
Процент кипения, %
Рабочее давление, (psig)
Время на поток, (часы)
Начало образования накипи, (часы)
~1
-31
2.9
9125
Данные отсутствуют
12-15
первоначально 85
0.7
2041
~478
~1
40-50
294
6239
Данные отсутствуют
Пример 7: Преимущество температурного профиля - сравнение моделей
Высокие значения характеристик теплообмена в микроканалах обеспечивают возможность частичного кипения при поддержании низкой температуры стенки при теплообмене. Небольшая разница температур между стенкой и жидкостью в микроканалах предпочитает режим пузырькового кипения режиму пленочного кипения и, следовательно, обеспечивает более устойчивое кипение в каналах. Для частичного кипения была разработана математическая модель, и для демонстрации преимущества микроканалов было проведено сравнение результатов моделей для микроканалов и каналов с большими размерами.
На фиг.29 представлена геометрия смоделированного испарителя. Тепло для испарения предоставлялось патронными нагревательными элементами. В качестве жидкости для испарения использовался метанол. Метанол поступает в канал при комнатной температуре (25°С) и выходит из канала при давлении окружающей среды. Тепло от патронного нагревательного элемента регулировалось таким образом, чтобы получить 75%-ную сухость пара (для основной массы).
Ширина канала потока составляла 1.0'', в то время как высота каналов менялась от микро - до макро-размеров. Длина канала была равна 4.0''. Диаметр патронного нагревательного элемента был равен 0.375'', а длина нагревательного элемента была такой же, как длина канала. Нагреватель обеспечивал однородный поверхностный тепловой поток. Материалом конструкции испарителя была нержавеющая сталь. Металлическая стенка между нагревателем и каналом составляла 0.02''. Предполагался периметр 0.25'' вокруг канала и нагревателя. Изменяя размер зазора канала, были рассмотрены два следующих случая:
Случай 1: зазор канала = 0.050''
Случай 2: зазор канала = 0.375''
Для обоих случаев использовалась скорость потока метанола 3.7 мл/мин. Параметры установки (настройки) нагревателя также оставались постоянными. В модели не предполагались никакие потери тепла в окружающую среду. Кроме того, не учитывались (игнорировались) изменения температуры металической стенки при любом поперечном перпендикуляре к направлению потока. В прямоугольных каналах коэффициент теплопередачи для чистой жидкой фазы рассчитывался из полностью выведенного (разложенного) показателя Нуссельта [Nusselt]:
где: Nu = полностью выведенный показатель Нуссельта;
К = теплопроводность жидкости, Вт/м·К;
h
D = гидравлический диаметр, м;
liq
2
h = коэффициент теплопередачи жидкости, Вт/м·К.
Коэффициент теплопередачи для чистого пара можно также рассчитать подобным образом.
Что касается 2-фазной системы, то предполагалось, что коэффициент теплопередачи будет зависеть от сухости пара.
2
2
2
Допускалось, что максимальный коэффициент двуфазной теплопередачи будет составлять 3000 Вт/мК. Коэффициент двуфазного теплообмена увеличивался линейно в зависимости от сухости пара - от коэффициента теплообмена чистой жидкости до максимального коэффициента теплообмена (3000 Вт/мК) от сухости пара = 0 до сухости пара = 0.5, а потом линейно уменьшался от максимального коэффициента теплообмена (3000 Вт/мК) до коэффициента теплообмена чистого пара, от сухости пара = 0.5 до сухости пара = 1.
На фиг.30 а) и b) показан температурный профиль в испарителе (температура стенки и жидкости) от входного отверстия до выхода канала для случаев 1 и 2, соответственно. В обоих случаях сухость пара на выходе была одинаковой. Небольшая разность между температурами стенки и жидкостью помогает предотвратить режим пленочного кипения и способствует конвективному режиму или режиму пузырькового кипения. Характерным признаком пленочного кипения обычно является интенсивное (сильное) испарение жидкости, что может вызвать неравномерность и трудности при регулировании процесса. С другой стороны, конвективное или пузырьковое кипение легче регулировать, а также этот режим обеспечивает устойчивый процесс с точки зрения изменений температуры, давления и сухости пара. Таким образом, испаритель с микроканальной размерностью (микроканальный испаритель) будет обеспечивать более устойчивое кипение, чем обычный макроканальный испаритель.
На фиг.31 а) и b) показан профиль сухости пара по всей длине канала для случаев 1 и 2, соответственно. В обоих случаях сухость пара на выходе была одинаковой и равнялась 0.73, однако есть различие в скоростях (интенсивностях) испарения. В микроканальном испарителе испарение было ровным и постепенным, а в макроканальным испарителе - резким и крутым. Эти результаты могут означать, что по сравнению с каналами макроразмеров использования каналов микроразмера приводит к устойчивому испарению.
-6
Показатель кипения для Случая 1 составляет 0.005, а число SR для Случая 1 составляет 5×10. Показатель кипения и число SR для Случая 2 составляют 0.029 и 0.021, соответственно.
Пример 8. Маленькие Пузырьки при высокой скорости сдвига возле нагретых стенок
Высокая скорость сдвига, наблюдаемая в микроканале, способствовала отрыву (отделению) пузырьков пара от нагретой стенки. Около стенок перед отрывом пузырьки увеличивались в размерах и деформировались при скорости сдвига. Чем выше скорость сдвига, тем сильнее деформация пузырьков. Результирующий эффект заключается в том, что пузырьки будут отделяться от стенок при меньшем радиусе, см. фиг.32. Дисперсия маленьких пузырьков в непрерывной (сплошной) жидкой фазе имеет высокую площадь межфазной поверхности на единицу объема жидкости, которая улучшает теплообмен. Кроме того, более высокую скорость дисперсии можно получить в том случае, если пузырьки имеют маленький размер. Если нет никаких столкновений между пузырьками, то поток становится более устойчивым, поскольку они (столкновения между пузырьками) вызывают неустойчивость потока.
Теплообмен при кипении потока становится оптимальным (оптимизированным) в том случае, когда используется режим пузырькового кипения, и пузырьки отрываются от своих мест образования на поверхности, но при этом по-прежнему имеют маленькие размеры, поскольку небольшие пузырьки максимизируют межфазный обмен теплом и массой. Влияния состояний потока на отрыв пузырьков в микроканалах исследовались экспериментально. Обычно для микроканалов (по сравнению с их обычными аналогами) наблюдаются более высокие градиенты скорости на стенке канала. Это, в свою очередь, приводит к более высоким значениям касательного напряжения стенки, которое необходимо для того, чтобы быстрее «отсечь» или отделить пузырьки во время образования для заданных условий (например, перегрева стенки, среднего теплового потока и т.д.). Исследования (например, Journal of Colloid and Interface Science 241, 514-520 (2001)) показывают, что критическими параметрами потока для отрыва пузырька являются функция высоты канала, а также контактный диаметр пузырька. Требуемая средняя скорость жидкости (Капиллярное число) для более крупных пузырьков уменьшается, и, как видно, наклон этой зависимости уменьшался по мере уменьшения высоты канала. В общем, для отрыва (отделения) пузырьков одинакового размера в канале с меньшей высотой (зазором), нужна меньшая скорость жидкости. Поэтому вследствие своих по определению маленьких размеров зазора канала, при одинаковых условиях потока и тепла микроканалы могут образовывать пузырьки более меньших размеров.
Пример 9 - Устойчивые пузырьковые потоки при высокой дисперсии
При условиях частичного кипения в микроканалах, на перегретых поверхностях образуются пузырьки пара, после этого они отрываются от поверхностей и мигрируют (перемещаются) в жидкое тело. Есть участок микроканала, где пузырьки рассеиваются в непрерывной жидкой фазе. Взаимодействие между этими пузырьками оказывает непосредственное влияние на рабочие характеристики теплообмена и устойчивость двуфазного потока. В микроканалах влияние стенок канала на область потока является более доминирующим, а скорость сдвига поперек ширины канала находится на высоком уровне. Этот высокий уровень скорости сдвига препятствует росту пузырьков и деформации, и, в конечном счете, когда размер пузырьков достигает критической величины, происходит распад пузырьков. При этом критический радиус пузырька является функцией скорости сдвига, а также межфазного натяжения (натяжения на границе раздела фаз) и вязкости жидкости. Высокая скорость сдвига снижает критический радиус пузырька. Стенки микроканала регулируют поле течения (распределения скоростей и давления в потоке жидкости или газа) между ними. Преобладающее направление потока параллельно стенкам. При этом преобладает ламинарный поток.
Пример 10 - Структуры с усиленным увлажнением
Требование к поверхностному тепловому потоку при кипении можно значительно снизить, если есть возможность уменьшить толщину жидкой пленки на нагретой поверхности. И хотя микроканалы предусматривают тонкие пленки жидкости внутри каналов, тем не менее, толщину жидкой пленки можно еще уменьшить путем использования таких структур, как сетка с мелкими ячейками, экраны и т.д. Эти структуры помогают жидкости растекаться на большей площади поверхности и, таким образом, уменьшить толщину жидкостной пленки на поверхности. Для тонкой жидкостной пленки потребуется небольшой поверхностный тепловой поток для испарения, и таким образом, эти структуры могут помочь получить частичное кипение при низких значениях поверхностных тепловых потоков. Некоторыми примерами таких структур являются (но не ограничиваются) различные виды раскатанной металлической фольги, экран из проволочной сетки, хлопковая ткань, матрицы, изготовленные из металлических порошков методом спекания, металлические пенки, полимерные волокна, гофрированные поверхности (треугольные канавки (т.е. ступенчатые линзы), прямоугольные канавки, круглые канавки) или любой другой увлажняющий, пористый материал.
В другом варианте конструкции для увеличения поверхностной площади при кипении можно также использовать поверхностные образования (элементы). Размер поверхностного образования, которое либо углубляется, либо выдается из стенки, может также быть меньше гидравлического диаметра микроканалов. Меньшая размерность может способствовать образованию меньших по размеру пузырьков, чем на плоской стенке. Помимо этого наблюдается адвекция потока в пределах поверхностных образований, так что у поверхности стенки существует приемлемое касательное напряжение жидкости по отношению к поверхности стенки. Касательное напряжение в пределах поверхностных образований может быть меньше напряжения сдвига на аналогичной плоской стенке канала, чье поперечное сечение пересекается с верхней частью поверхностных образований. Величина касательного напряжения в поверхностном образовании может составлять 10% от напряжения плоского канала, а в некоторых вариантах конструкции достигать 50% или больше от напряжения соизмеримого плоского канала. Касательное напряжение жидкости по отношению к кипящей стенке в поверхностных образованиях намного выше касательного напряжения, которое было определено для других структур с увеличенной поверхностной площадью, поскольку (как сказано в литературе) в областях с увеличенной площадью поверхности поток имеет минимальную адвекцию.
Пример 11 - Шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности и микропористая структура в микроканале оказывает значительное влияние на образование пузырьков. Образования, вызванные шероховатостью поверхности, которые, в свою очередь, создают возмущения в поле течения (потока) у поверхности канала, которые, в свою очередь, создают участки возможного (потенциального) зародышеобразования для образования пузырьков. Поэтому, с объемной точки зрения, в микроканальном приложении больше участков зародышеобразования.
H
H
H
Шероховатость поверхности относительно гидравлического диаметра канала, ε/D, где ε - средняя высота шероховатости поверхности, a D - гидравлический диаметр канала, обычно больше, чем соотношение ε/D для обычных каналов. Шероховатость поверхности можно измерить с помощью профилометра. Это измерительный прибор со щупом, который используется для отслеживания профиля поверхности. Результаты измерений выражаются в виде величины RA, которая является средним арифметическим отклонением от центральной линии поверхности, или в виде значения RMS, которое является среднеквадратичным отклонением от центральной линии. Значения RA или RMS даются либо в микронах (т.е. микрометрах или µm), либо в микродюймах (µ''). RMS будет примерно на 11 процентов выше значения RA для данной поверхности. (RA×1.11=RMS). Для большинства поверхностей высота общего профиля шероховатости поверхности, или полное изменение высоты, будет приблизительно в четыре раза больше значения RA. В представленной ниже Таблице 5 даны значения шероховатости поверхности труб из нержавеющей стали санитарного класса всех диаметров.
Таблица 5
Значения шероховатости поверхности труб из нержавеющей стали санитарного класса
RMS (микродюйм)
RMS (мкм)
RA (микродюйм)
RA (мкм)
Размер металлической крошки
80
2.03
71
1.9
80
58
1.47
52
1.32
120
47
1.2
42
1.06
150
34
0.6
30
0.76
180
17
0.43
15
0.38
240
14
0.36
12
0.3
320
Эти значения являются средними данными многих испытаний с точностью в пределах±5% согласно Bulletin on Material Welds and Finishers by DCI, Inc. (Meltzer, 1993) [Бюллетень по Сварным Швам для Материалов и Отделочным Машинам]».
H
H
-4
-3
Исходя из значений, приведенных в Таблице 5, максимальная величина ε/D для обычной системы будет составлять 2.03 микрон/10 мм~2×10 м. Однако на основании экспериментально определенных поверхностных образований в микроканалах (Ву и Ченг [Wu and Cheng]: 2003, а также Хонда и Уэй [Honda and Wei]: 2004), значение ε/D может быть, по крайней мере, на порядок больше (~10 м).
Спроектированные образования на поверхности микроканала также могут улучшить (усилить) пузырьковое кипение. Было определено, что среди геометрических параметров, диаметр поры сильнее всего влияет на диаметр отрыва пузырьков. Экспериментально было продемонстрировано (Рамасвами и др. [Ramaswamy et al.], 2002), что для улучшенных структур существуют особые режимы кипения, подобные режимам для плоских поверхностей. Что касается величин перегрева стенки в интервале от низкой до промежуточной температуры (4-12°С), кипение происходило в режиме изолированных друг от друга пузырьков. По мере увеличения перегрева стенки, может начаться коалесценция пузырьков. Конечный результат этого явления - получение более крупных (больших по размеру) пузырьков пара, что, в свою очередь, приводит к уменьшению межфазного теплообмена и уменьшению общей производительности системы. Однако явление коалесценции можно регулировать до некоторой степени путем изменения интервала (шага) между порами. Образованию пузырьков (зародышей) может помочь щелевая поверхность.
Также могут быть полезны другие профильные (рельефные) поверхности, например решетка (сетка) из подканалов на стенке или на стенках канала с хладагентом.
В общем, при уменьшении размера поры (при постоянном перегреве стенки) средний диаметр отрыва пузырьков уменьшается.
Есть главная (основная) причина, по которой эти способы улучшения пузырькового кипения оказываются более успешными в микроканале, чем в каналах обычного размера. В большинстве случаев, поток в микроканале является ламинарным, а пограничный слой полностью занимает зазор канала. С помощью этих способов улучшения, пузырьковое кипение можно улучшить на протяжении всего пограничного слоя и, следовательно, по всему поперечному сечению потока микроканала. Однако в обычном приложении для каналов пограничный слой (ламинарный или турбулентный) занимает только небольшую процентную долю (часть) общего объема потока. Таким образом, такие способы для улучшения будут оказывать относительно небольшое влияние на рабочие характеристики микроканалов.
Пример 12 - Распределение Потока
Что касается микроканальных систем, которые имеют открытые магистрали (разветвленный трубопровод), соединяющие множество охлаждающих каналов, то данное изобретение может включать такие механизмы регулирования потока, описание которых приведено в заявке на патент США, серийный номер 10/695,400, которая была опубликована под номером 2005/0087767 и включена в качестве ссылки, как будто она полностью воспроизведена ниже и из которой были скопированы фиг.34а и 34b.
Барьеры с однородно распределенными препятствиями, отцентрированными параллельно матрице соединяющихся каналов, могут изменить потери давления для входа в матрицу соединяющихся каналов через потери при повороте и внезапном расширении для недогретых или насыщенных жидкостей. Барьеры могут включать (но не ограничиваться) измерительные диафрагмы, экраны, сетки, упорядоченный фильтрующий материал и решетки. Чтобы получить различные потоки в комплекте микроканалов, в магистраль трубопровода можно поместить барьеры с различным сопротивлением потока для того, чтобы подобрать для микроканалов такой поток, который им необходим, хотя, чтобы избежать утечки между каналами, важно закупорить и заизолировать друг от друга те участки, которые находятся вниз по течению потока от барьера.
Барьеры с равномерно распределенными препятствиями (барьеры могут создавать отверстия), отцентрированными в верхнем коллекторе, могут вызывать падение давления из-за изменения в области поперечного сечения в направлении потока верхнего коллектора, который находится под ненулевым углом относительно матрицы соединяющихся каналов. Это понижает локальное давление для движения жидкости через соединяющиеся каналы. Такой барьер может стать альтернативой по отношению к тем распределенным препятствиям, которые параллельны соединяющимся микроканалам, однако его также можно использовать вдоль одной линии вместе с препятствиями.
Барьеры с равномерно распределенными препятствиями, отцентрированными параллельно матрице соединяющихся каналов, были использованы для добавления более высоких потерь при падении давления при более высоком равновесном массовом паросодержании жидкости. Чем выше паросодержание, тем выше количество движения потока и тем выше то падение давления, которое имеет поток при прохождении через этот барьер. Этот барьер очень эффективен для таких матриц микроканалов, которые отводят постоянный тепловой поток из каждого канала. Барьер можно установить на выходе или входе каналов для того, чтобы выровнять скорости локальных потоков через матрицу каналов с хладагентом (например, планарная матрица параллельных каналов с 2,5, 10 или более плоскими, параллельными каналами).
В системах с открытой магистралью трубопровода может быть место для установки и неподвижного закрепления этих внешних (по отношению к микроканалам) структур (конструкций) для пассивной магистрали.
Для измерения потоков во многих параллельных отдельных микроканалах можно использовать конструкцию измерительной диафрагмы (см. фиг.34а и 34b). Скорость потока меняется в различных каналах охлаждения между сверху вниз (см. фиг.34а и 34b) для соответствия профилю неоднородного теплового потока на стенках в направлении технологического потока. Распределение потока через отверстия прогнозируется с помощью подхода на основе сети гидравлического сопротивления, а также с помощью инструмента для расчета динамики жидкости (гидродинамики). В том варианте конструкции, который показан на фиг.34а и 34b, используются следующие правила:
1) Температура твердой стенки канала, которая отделяет технологическую сторону от стороны с хладагентом, должна поддерживаться почти с постоянным значением 160°С для создания изотермического граничного условия для реакции мономера винилацетата (VAM). Это условие реализуется через кипение потока воды под давлением порядка 6 атмосфер.
2) Для достижения экономичной работы мощность накачки охлаждающего контура должна быть минимальной, а равновесное массовое паросодержание хладагента на выходе должно быть максимальным. По существу, общее падение давления и общая скорость потока хладагента должны быть минимизированы при таком условии, чтобы при всех условиях работы в канале с хладагентом не появлялись участки перегрева и высыхания.
На основании выбранной модели реакции мономера винилацетата (VAM) максимальный тепловой поток в верхней части реакционного аппарата (возле начала реакционной зоны) приблизительно в десять раз больше теплового потока в нижней части. На фиг.34а и 34в видно, что для профиля такого типа необходимо неравное (неодинаковое) распределение скорости потока хладагента при условии, что паросодержание на выходе составляет 0.3. Это значение определяется по Критическому Тепловому Потоку (CHF) кипения потока. Это означает, что при заданном локальном тепловом потоке и паросодержании на выходе скорость потока препятствует возникновению участка локального (местного) перегрева или высыханию хладагента.
Если установить измерительную диафрагму с различными размерами отверстий на входах (верхний коллектор) в каналы, то можно получить такое же общее падение давления, включая потери давления в коллекторе, в каналах при необходимых скоростях потока. Если для каждого канала сделано отдельное отверстие, то диаметр отверстия будет очень маленьким (<0.1 мм) при небольшом показателе Рейнольдса [Reynolds], особенно, если эта диафрагма короткая, например, меньше 1 мм. Из-за микромасштаба и большого количества (например, 300) каналов, изготовление, включая центрирование, было бы нереалистичным. Таким образом, была разработана конфигурация измерительной диафрагмы с несколькими отверстиями, см. фиг.34а, 34б, где потери при трении, потери при вращении коллектора и падении давления были рассчитаны как функции диаметра отверстия. Каждое отверстие отвечает за группу каналов с тем, чтобы размеры отверстий были достаточно большими, и их можно было бы изготовить обычным способом. Режим потока в диафрагмах - турбулентный, он хорошо подходит для регулирования скорости потока.
На фиг.34а, 34б показано распределение размера отверстий измерительной диафрагмы, общее падение давления от места входа хладагента в верхний коллектор до места выхода из нижнего коллектора и падение давления при прохождении через отверстия.
Пример 13: Конструкция реакционного аппарата с частичным кипением для регулирования температуры
Для того чтобы регулировать температуру реакционного аппарата для поддержания его общей производительности на высоком уровне при минимальном количестве побочных продуктов, была проведена оценка (расчет) частичного кипения в тех микроканалах, которые находятся в непосредственной близости (рядом) с экзотермическим химическим реактором (синтез Фишера-Тропша) [Fischer-Tropsch].
Температура в камерах частичного кипения была почти изотермической, при этом перепад (разность) температур в реакционном аппарате был меньше 10°С, а более предпочтительно, если он будет меньше 5°С по всему реакционному аппарату.
В этом примере поток регулируется в матрице параллельных микроканалов путем использования ограничительного отверстия на входе в каждый канал для создания достаточного падения давления и измерения потока в каждом канале единообразным способом или методом подбора. Описание альтернативных методов распределения потока в матрице каналов (обычно, параллельные каналы) приведено в той заявке на патент, на которую ранее были сделаны ссылки, и которая включена в данный документ в качестве ссылки; такие методы могут включать использование вспомогательных магистралей для главной магистрали (разветвленного трубопровода), пористую среду для регулирования потока на входе в каналы или внутри них, или затворы (запорные элементы) различного размера для регулировки потока в каналах.
Частично кипящая жидкость может течь горизонтально или вертикально с ориентацией потока снизу вверх (восходящий поток) или сверху вниз (нисходящий поток). Восходящий поток может быть предпочтительным, поскольку при этом снимается проблема с гидростатическим напором воды в магистрали (разветвленном трубопроводе), который содействует неравномерному распределению потока. В других вариантах конструкции восходящий поток воды или другой жидкости для частичного кипения может вызывать проблемы для некоторых реакций, например, для синтеза Фишера-Тропша (FT), где реакционная смесь также многофазна, и в этом случае ориентация потока сверху вниз (нисходящий поток) может быть предпочтительней.
Рассмотренный в данном примере реакционный аппарат для синтеза Фишера-Тропша (FT реактор) содержит две стороны (части), которые ведут к технологическим микроканалам, где верхняя половина технологического канала имеет технологический зазор величиной 0.1016 см (0.04 дюйма), а нижняя половина технологического канала имеет технологический зазор 0.3048 см (0.12 дюйма). Две верхних половины каналов с зазором 0.1016 см (0.04 дюйма) подают жидкость в одну нижнюю половину микроканала. Две верхних половины технологических микроканалов отделены (разделены) каналами теплообмена, где происходит частичное кипение для отвода тепла. Этап определяется как область, где два технологических микроканала верхней половины соединяются с одним технологическим микроканалом нижней половины. Задача на этом этапе состоит в том, чтобы создать больший объем для катализатора технологического микроканала, где объемная выработка тепла снижается с более высокого уровня, образовавшегося у входа в реактор (при новых подачах и наивысшей концентрации реагента).
Используя одноразмерные модели для массы, энергии и количества движения (импульса), было дано описание распределения потока хладагента, температурного профиля и падения давления во время работы реактора для применения частичного кипения воды и регулировки температуры реакции для синтеза Фишера-Тропша.
Охлаждающий канал и система магистрали (разветвленного трубопровода) были разработаны на основе профиля теплового потока реакции Фишера-Тропша (FT реакции) при продолжительности контакта 350 мс. Производительность реакционного аппарата оценивалась как 0.08 баррелей FT жидкости Фишера-Тропша (FT жидкости) в день. Реакционный аппарат для синтеза Фишера-Тропша (FT реактор) также содержал смесь катализатора и инертного материала с высокой теплопроводностью. Результаты показывают, что при скорости накачки 3.0 литров в минуту (LPM) при 20°С можно прогнозировать, что температура стенки на участке с хладагентом будет управляемой в диапазоне от 224.2°С до 225°С, при этом удивительно, что этот диапазон меньше 1°С, если предположить, что условия на входе верхнего коллектора 355 psig и 224°С, изолированные периметры и внутренний диаметр отверстий в виде полукруга в каждом канале составляют 0.2794 см (0.011 дюйма), через эти отверстия осуществляется проход потока в матрицу параллельных каналов размером до 0.05588 (0.022 дюйма)×0.254 см (0.10 дюйма), где происходит кипение рядом с реакцией Фишера-Тропша (FT реакцией) в перемежающихся микроканалах.
Скорости потока ниже 3.0 литров в минуту (LPM) приводят к более высокой сухости пара на выходе в нижнем коллекторе, что снижает общую плотность нижнего коллектора, что вызывает увеличение давления с верхней части нижней магистрали (разветвленном трубопроводе) до ее нижней части меньше, чем во всем верхнем коллекторе. Более низкие (меньшие) общие потоки, текущие в верхний коллектор, также приводят к более низким (меньшим) потерями давления при прохождении через отверстия при входе в участки на этом "этапе". Эти участки (секции) имеют большее количество потока, чем на восходящем участке при монотонном изменении, которое связано с разницей между значениями локального гидростатического давления в верхнем и нижнем коллекторах. Такое отклонение (сдвиг) в распределении в сочетании с постоянным поступлением тепла приводит к более высокой сухости пара в каналах верхних участков и еще более увеличивает гидравлическое сопротивление и неравномерное распределение. Эта модель прогнозирует обратный поток для подачи насоса ниже 1.0 литра в минуту (LPM), которая имеет спрогнозированное паросодержание массы на выходе 5%. Поэтому рекомендуется работать при 3.0 литров в минуту (LPM), при этом приближение к температуре насыщения должно быть не более 1°С.
На фиг.36 представлена геометрия реакционного аппарата, где хладагент - это поперечный поток в микроканалах, а технологический поток идет сверху вниз (нисходящий поток) (отцентрирован с силой тяжести). Технологические каналы в верхней части реакционного аппарата являются более узкими и становятся шире у нижней части реакционного аппарата. Около верхней части реакционного аппарата находится больше охлаждающих каналов, чем около нижней части. Для этой конструкции нужна горизонтальная магистральная система для потока хладагента, в этом случае происходит частичное кипение воды в каналах хладагента.
Предположения и рекомендации
Геометрия модели
На фиг.37 показана схема каналов с указанием важных размеров.
Магистраль хладагента имеет 170 каналов с хладагентом шириной 0.05588 см (0.022 дюйма) и высотой 0.254 см (0.100 дюйма) для находящихся по краям (конечных) колонок с каналами и 83 канала в колонке с каналами под названием "Шаг". Также есть ребра высотой 0.030'', которые отделяют каналы друг от друга. Общая моделированная высота колонки с верхним и нижним коллектором составляет 170×(0.100''+0.030'')=22100''.
Диаметр отверстия в форме полукруга равен 0.011''. Это отверстие было экспериментально протестировано в одноканальном приборе устройства кипения.
Это отверстие было предназначено для создания более высокого падения давления в отверстии на входе в охлаждающий канал, по сравнению с падением давления в канале во время частичного кипения. Таким образом регулируется поток в каждом из сотен охлаждающих каналов. Канал с таким отверстием расширяется до 0.050'' по длине и открывается до размера поперечного сечения главного канала, описанного в предыдущем абзаце. Длина участка с восходящим потоком в канале перед главным участком теплообменника составляет 0.700''. Далее участок теплообменника расширяется до длины 11.500''. Длина участка канала с нисходящим потоком перед нижним коллектором равна 0.750''.
Участки площади поперечного сечения верхнего и нижнего коллекторов принимают как полукруг диаметром 0.925'', растягивающийся из прямоугольника длиной 0.75'' и шириной 0.925'', который соединяет (состыковывает) каналы с хладагентом.
2
2
Задача состоит в том, чтобы получить постоянную температуру стенки, высокое значение (большой) теплоотвода и устойчивый поток (т.е. устойчивую работу) для охлаждающего контура. Модель на основе экспериментальных результатов позволяет сделать для работы такую конструкцию, которая бы предусматривала отвод тепловой нагрузки величиной 2750 Вт/м в верхней половине магистрали и 6500 Вт/м - в нижней половине. Недогретая вода входит в верхний коллектор сверху и снизу выходит из нижнего коллектора.
Этот охлаждающий контур имеет множество вертикально расположенных каналов для отвода тепла с верхним и нижним водосборниками высотой 0.56 метра, которые также установлены вертикально по направлению силы тяжести. Жидкость подавалась под высоким давлением (355 psig) и при температуре 224°С, чуть ниже температуры насыщения 225°С. При использовании отверстий в виде полукруга диаметром 0.02794 см (0.011 дюйма) в каждом канале и среднего паросодержания массы на выходе 0.02, показатель добротности между каналами (канал-канал) составлял 9%. Все значения температуры на выходе были равны 224.8°С. На фиг.38 показана средняя скорость потока массы канала (нижняя ось) и средняя температура на выходе магистрали (верхняя ось), нанесенные в зависимости от номера участка. Первая группа из семнадцати каналов считается 1-ым участком, а последняя группа из 17 каналов 10-ым участком. Поток стремится сместиться к нижним группам каналов. Эта тенденция связана с более меньшей разницей значений гидростатического давления от верхней до нижней части паросодержащего нижнего коллектора по сравнению с верхним коллектором.
Эта конструкция может иметь хорошее распределение потока благодаря потерям давления в достаточном гидравлическом сопротивлении при добавлением отверстия. Это было необходимо, поскольку потери при падении давления в канале длиной 29.21 см (11.5 дюймов) довольно малы при таком давлении. На фиг.39 показана постоянная С Локхарта-Мартинелли [Lockhart-Martenelli] в зависимости от доли паросодержания массы, и понижение константы с 8 при Х=0.01 до нуля Х=0.3, причем падение давления лучше всего описано падением давления однофазного газа для доли паросодержания массы выше 0.6.
Магистраль (разветвленный трубопровод) может хорошо поддерживать температуру стенки величиной 225°С, поскольку значительное увеличение коэффициента конвективной теплопередачи наблюдается в совсем небольшой доле паросодержания массы на выходе. На фиг.40 показано соотношение экспериментально полученного коэффициента теплообмена к коэффициенту теплообмена для однофазной жидкости при температуре на входе. Это соотношение быстро увеличивается от единицы при доле паросодержания массы 0.01 почти до 5 при Х=0.2. Таким образом, преимущества конвективного теплообмена при кипении можно получить при малых долях паросодержания массы.