ИНТЕНСИВНЫЙ КОНДЕНСАТОР ПАРА С КОНТРАСТНЫМ И ГРАДИЕНТНЫМ СМАЧИВАНИЕМ
INTENSIVE STEAM CONDENSER WITH CONTRAST AND GRADIENT WETTING

Изобретение относится к области мини- и микросистем, которые используются в энергетике и на транспорте и могут применяться в устройствах для охлаждения электроники. Изобретение относится к области интенсификации теплообмена при конденсации внутри труб и каналов, а также конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара.
2
Существенный прогресс достигнут в методах интенсификации теплообмена при кипении и испарении. В испарителях коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений до 100-300 кВт/(м⋅K) и выше.
2
В то же время в методах интенсификации теплообмена при конденсации пара достигнут существенно меньший прогресс. Для интенсификации теплообмена при пленочной конденсации применяют различные способы, например увеличение скорости пара или оребрение поверхности теплообмена. Например, при внутритрубной конденсации с интенсификаторами в виде продольных ребер средние коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений порядка 10 кВт/(м⋅K), примерно на порядок меньше. Как следствие, конденсатор пара является наиболее крупной частью мини- и микросистем и может на порядок, а в некоторых случаях на два порядка превосходить испарительную часть по массе и габаритам.
Весьма эффективным является такой способ интенсификации теплообмена, как использование гидрофобизаторов для перехода от пленочного режима конденсации к капельному. Капельная конденсация имеет место на твердых поверхностях со сравнительно низкой поверхностной энергией. Для создания таких поверхностей применяют различные технологии нанесения или ионного легирования, например методы химического, электрохимического осаждения, выпара плазмы и другие. Для получения капельной конденсации применяют тонкослойные органические соединения или полимерные покрытия с низкой поверхностной энергией, алмазоподобные или ионно-легированные покрытия на основе алюминия и меди, наноразмерные структуры и другие.
Однако капельный режим конденсации не удается поддерживать в течение длительного времени ввиду засорения или разрушения гидрофобных покрытий. Это ограничивает практическое применение капельной конденсации, интенсивность теплообмена которой в 15-20 раз выше, чем при пленочной конденсации.
Из области техники известно использование гидрофобных поверхностей для интенсификации теплообмена при кипении.
Известен способ интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности [патент РФ №2542253, 18.03.2013, B05D 1/00, F28F 13/00], при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей, расположенных в шахматном порядке.
Известен способ изготовления системы охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования [патент РФ №2581342, 06.06.2014, F15D 1/02, В82 В 3/00, B82Y 40/00], включающий нанесение на поверхность микроканала наноструктурных областей с гидрофобными свойствами в виде полос поперек течения однофазного или двухфазного потока охлаждающей жидкости.
Известно устройство для формирования ручейкового течения жидкости в плоском микро- или мини-канале [патент РФ №2588917, 15.12.2014, F28C 3/06, F28D 5/02, F28F 13/18, H05K 7/20, H01L 23/44], в котором на поверхность подложки вдоль канала с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента нанесено гидрофобное нанопокрытие, что позволяет существенно снизить гидравлическое сопротивление стенок и теплоносителя.
Все указанные технические решения предназначены для интенсификации теплообмена в испарителях.
Для интенсификации теплообмена в системах охлаждения, находящих практическое применение, используют в основном оребрение различной формы, поверхностной упорядоченной и неупорядоченной шероховатости, частичную перфорацию и многое другое.
Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в статье [Kabov O.A., Marchuk I.V. and Legros J-C. Conjugated heat transfer at flow condensation in minichannel with longitudinal fins, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, N.Y., ASME, NewYork, pp. 641-648 (2004)] и широко используется рядом промышленных компаний (например, EuroHeatPipe S.A.). В статье исследуется конденсация в цилиндрическом охлаждаемом конденсаторе (внутритрубный конденсатор) с продольными ребрами различной формы и размера. Рассмотрены ребра двух типов: трапециевидные с закругленными вершинами и ребра, имеющие форму кривых параметрического семейства Адамека (Adamek's parametrical family). Ребра располагаются равномерно по периметру. Характерная высота и шаг ребер зависят от конкретных приложений. Ребра существенно увеличивают поверхность конденсации, а также способствуют неоднородному распределению жидкости по периметру трубы, в том числе и за счет действия капиллярных сил. Конденсаторы такого типа используют как в земных условиях, так и в условиях микрогравитации (тепловые трубы, контурные тепловые трубы).
Недостатки описанной выше конструкции
1. Производство ребер требует существенной деформации стенок труб и поверхностей. Это касается как случая конденсации внутри труб и каналов, так и конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара, например кожухотрубных теплообменников с пакетами горизонтальных труб. В целом это ведет к увеличению металлоемкости конденсатора и повышению его веса.
2. При фиксированном внутреннем диаметре трубы или канала ребра значительно сокращают проходное сечение для двухфазного потока, что может значительно повышать гидравлическое сопротивление канала. При фиксированном внешнем диаметре трубы при конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара, ребра увеличивают внешний диаметр, что может быть недопустимо с точки зрения технологии сборки аппарата. Существуют технологии изготовления ребер за счет снижения внутреннего диаметра труб, но это ведет к повышению гидравлического сопротивления. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности конденсатора путем увеличения интенсивности конденсации за счет использования специальных покрытий с градиентным смачиванием и снижения гидравлического сопротивления при течении двухфазного потока вдоль поверхности конденсации. Задачей заявляемого изобретения является также снижение веса и металлоемкости конструкции.
Поставленная задача решается за счет нового конструктивного исполнения конденсатора пара, позволяющего создать устойчивый пленочно-капельный режим конденсации.
Поставленная задача решается тем, что в интенсивном конденсаторе пара с контрастным и градиентным смачиванием, выполненном в форме охлаждаемого цилиндра со структурированной поверхностью, согласно изобретению на внешнюю поверхность цилиндра нанесено нано- или микропокрытие. Покрытие нанесено таким образом, что поперечные кольцевые полосы гидрофобного покрытия с градиентным углом смачивания чередуются с кольцевыми поперечными полосами гидрофильного покрытия, а угол смачивания поверхности с гидрофобным покрытием уменьшается от линии максимального значения угла смачивания к линии минимального значения угла смачивания таким образом, что движение микрокапель по поверхности с гидрофобным покрытием происходит в направлении перпендикулярном основному течению конденсата по поверхности с гидрофильным покрытием.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано поперечное сечение трубы (канала конденсатора).
На фиг. 2 показаны вид сбоку и схема движения жидкости на предложенной поверхности.
На фиг. 3 показана схема движения микрокапель конденсата по поверхности с градиентом смачивания.
1
2
1
2
1
2
Где 1 - труба (стенка трубы); 2 - пар; 3 - ручеек конденсата; 4 - поверхность с гидрофильным покрытием; 5 - поверхность с гидрофобным покрытием с градиентным смачиванием; 6 - микрокапли конденсата; 7 - направление движения микрокапель на гидрофобной поверхности; 8 - направление течения ручейков конденсата; 9 - линия максимального значения угла смачивания; 10 - направление градиента смачивания; 11 - охлаждающая жидкость; 12 - конденсат жидкости в нижней части трубы; 13 - линия минимального значения угла смачивания; g - направление действия силы тяжести; F - сила, действующая на каплю на поверхности с градиентом угла смачивания; F, F - результирующие силы поверхностного натяжения; σ, σ - поверхностное натяжение с максимальными и минимальным значением угла смачивания; θ, θ - максимальный и минимальный угол смачивания.
Конденсатор состоит из трубы 1, по которой циркулирует охлаждающая жидкость 11, расположенной внутри кожуха (не показано). Конденсация хладагента происходит между трубой и кожухом, т.е. на внешней поверхности трубы.
Вдоль внешней поверхности трубы в виде поперечных полос нанесено специальное покрытие так, что образуется множество кольцевых полос с гидрофобной поверхностью 5 с контрастным и градиентным смачиванием, которые чередуются с кольцевыми полосами с гидрофильной поверхностью 4, как показано на фиг. 2.
На поверхности с гидрофобным покрытием имеет место неоднородный контактный угол смачивания. Угол смачивания уменьшается от линии максимального значения угла смачивания 9 (центра гидрофобной полосы) к линии минимального значения угла смачивания 13 (периферии), т.е. в сторону поверхности с гидрофильным покрытием, как показано на фиг. 2.
В настоящее время существует достаточно много технологий для производства поверхностей со специальным молекулярным покрытием и с контрастным и градиентным смачиванием [W. Choi, A. Tuteja, J.М. Mabry, R.Е. Cohen, G.H. McKinley. A modified cassie-baxter relationship to explain contact angle hysteresis and anisotropy on non-wetting textured surfaces, J. Colloid Interface Sci. 339 (2009) 208-216; A. Dubov, A. Mourran, M. Moeller, O. Vinogradova. Contact angle hysteresis on superhydrophobic stripes, J. Chem. Phys. 141 (2014) 074710; N. Guillot, M. Chapelle. Lithographied nanostructures as nanosensors, Journal of Nanophotonics, Vol. 6, (2012) 064506 (28pp); H. Lan, Y. Ding, 2012. Ordering, positioning and uniformity of quantumdot arrays. NanoToday 7 94 123; Biswas A, Bayer IS, Biris AS, Wang T, Dervishi E, Faupel F (2012). Advances in top-downand bottom-upsur face nanofabrication: techniques, applications and future prospects. AdvColloid Interface Sci 170(1-2): 2-27].
Покрытия можно получать, например, путем обработки поверхности химическим способом (нанесением монослоя молекул другого вещества) так, чтобы на поверхности появилась область с наноразмерной шероховатостью и более высоким значением контактного угла смачивания.
Толщина структур зависит от типа поверхности и не влияет заметным образом на термическое сопротивление. Необходимо отметить, что толщина покрытий может составлять порядка десятков нанометров или несколько микрометров, т.е. покрытие практически не сокращает проходное сечение для двухфазного потока и не увеличивает внешнего диаметра труб.
В зонах с гидрофильным покрытием, где происходит полная смачиваемость поверхности, осуществляется пленочная конденсация, а в зонах с гидрофобным покрытием осуществляется капельная конденсация.
Устройство работает следующим образом. Охлаждающая жидкость 11 прокачивается по трубе, пар 2 - по межтрубному пространству (между трубой и кожухом конденсатора). Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность трубы.
На поверхностях с гидрофобным покрытием 5 реализуется капельная конденсация с очень высокой интенсивностью теплообмена, что подтверждается в ряде работ [Hu, H.W., Tang, G.H., Niu, D. Experimental investigation of condensation heat transfer on hybrid wettability finned tube with large amount of noncondensable gas. (2015) International Journal of Heat and Mass Transfer, 85, pp. 513-523; Mahapatra, P.S., Ghosh, A., Ganguly, R., Megaridis, C.M. Keydesign and operating parameters for enhancing drop wisecondensation through wettability patterning (2016) International Journal of Heat and MassTransfer, 92, pp. 877-883; K. Rykaczewski, A.T. Paxson, M. Staymates, M.L. Walker, X. Sun, S. Anand, S. Srinivasan, G.H. McKinley, J. Chinn, J.H. Scott, K.K. Varanasi. "Drop wise condensation о flow surface tension fluids on omniphobic surfaces," SciRep. Mar 5, 4: 4158, Nature (2014); Richard W. Bonner III. "Dropwise condensation on surfaces with graded hydrophobicity," ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference collocated with the Inter PACK09 and 3rd Energy Sustainability Conferences, Paper No. HT2009-88516, pp. 491-495, (2009); NenadMiljkovic, Ryan Enright, Youngsuk et al. Jumping-Droplet-Enhanced Condensation on Scalable Superhydrophobic Nanostructured Surfaces // Nano Lett., 13 (1), 2013. pp. 179-187].
По поверхностям с гидрофильным покрытием 4 происходит транспорт жидкости.
При реализации капельной конденсации поверхность с гидрофобным покрытием покрыта микрокаплями конденсата. Поверхность между микрокаплями покрыта ультратонкой пленкой конденсата, имеющей очень малое термическое сопротивление.
Полоса поверхности с гидрофобным покрытием имеет две области, расположенные с обеих сторон от линии максимального значения угла смачивания 9, которая также является осью симметрии полосы. В каждой области имеет место неоднородный контактный угол смачивания, уменьшающийся в направлении к соседней полосе с гидрофильной поверхностью.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Характер движения капли от линии максимального значения угла смачивания (центра гидрофобной поверхности) к линии минимального значения угла смачивания (периферии) определяется свойствами жидкости, свойствами подложки, коэффициентом поверхностного натяжения, размером капли, углом смачивания и градиентом угла смачивания в поперечном направлении гидрофобной поверхности. В областях с максимальным и минимальным углами смачивания (θ, θ) по касательным к поверхности жидкости действуют силы поверхностного натяжения, σ, σ. Результирующие силы поверхностного натяжения, F, F, действующие на гидрофобной поверхности, зависят от проекции сил поверхностного натяжения, σ, σ. Значение силы, действующей на каплю на поверхности с градиентом угла смачивания, определяется из соотношения F=F-F, и чем больше разница углов θ, θ, тем больше значение движущей каплю силы F. Таким образом, вследствие градиентного контактного угла смачивания по периметру микрокапли конденсата 6 возникает градиент смачивания 10, который двигает микрокапли конденсата по направлению 7 к гидрофильной поверхности, что обеспечивает существенную интенсификацию капельной конденсации, фиг. 3. Достигнув края гидрофильной поверхности микрокапли сливаются с ручейком конденсата 3 и стекают с трубы в направлении 8. Транспорт конденсата происходит за счет силы тяжести, фиг. 3.
Важно отметить, что движение микрокапель происходит в направлении, перпендикулярном основному течению 12 конденсата жидкости и пара, что приводит к минимально возможным размерам капель.
Предложенный конденсатор пара может быть выполнен не только из высокотеплопроводных материалов, но и из широкого спектра других материалов, например стекла, пластика, кристаллического кремния и др. Данный факт позволяет использовать предложенный конденсатор пара в различного рода мини- и микросистемах в химической, фармацевтической и пищевой промышленности.
Регулировка мощности конденсатора пара осуществляется простой регулировкой температуры стенки конденсатора, длиной поверхности, размером трубы.
Устройство может работать в условиях нормальной гравитации и микрогравитации. В условиях микрогравитации ориентация устройства может быть произвольной. В условиях нормальной гравитации рекомендуется положение устройства, когда ось трубы конденсатора пара перпендикулярна направлению вектора силы тяжести. При этом будет достигаться максимальная интенсивность конденсации.
Известно, что в условиях микрогравитации длина гладкотрубных конденсаторов должна быть в 2-3 раза больше, чем в земных приложениях. Это связано с реализацией кольцевого режима течения и делает неэффективным использование легких тонкостенных гладких труб в космических приложениях. Изобретение позволяет получить высокую интенсивность теплообмена при кольцевом режиме течения и существенно повысить эффективность конденсации в космосе.