[發明專利]基于汽液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統及方法

在審

• 申請號: 201910432640.2
• 申請日: 2019-05-23
• 公開（公告）號: CN110282596A
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 張偉;于俊杰;郭明宇;劉廣林;徐進良
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00;H01L23/473
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，該微通道沸騰傳熱系統由上層蓋板(1)、底層微通道陣列板(2)以及模擬熱源(3)組成；所述上層蓋板(1)上有進液口(11)和出液口(12)；所述底層微通道陣列板(2)正面有周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24)，進口儲液槽(25)及出口儲液槽(26)；所述模擬熱源(3)位于底層微通道陣列板(2)背面并正對周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24)區域并向該區域提供加熱熱流。

2.根據權利要求1所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，所述周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24)在沿程方向上彼此交錯排列，排列方式為下游通道肋壁的中心線正對上游通道的中心線。

3.根據權利要求1所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，所述周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24的肋壁兩端均為形狀相同且長度等于L的尖銳三角形，且兩個相互交錯的平型微通道陣列的交錯區域長度等于尖銳三角形部分的長度L。

4.根據權利要求1所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，所述周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24)的每個通道上游的來流在上游肋壁的尖銳尾端發生邊界層脫離；在下游肋壁前端尖銳刀鋒處發生氣相的分割以及液相邊界層的再發展。

5.根據權利要求1所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，所述周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24)的通道水力直徑應小于臨界毛細尺度，所述微通道水力直徑D_i應不大于：

其中D_i為微通道的水力直徑，g為重力加速度，ρ_L、ρ_G分別為所述傳熱工質的液相、汽相密度，σ為工質的液相和汽相之間界面張力。

6.根據權利要求1所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，所述周期性交錯分割排列的平行微通道陣列(21、22、23、24)交錯區域的水力直徑d_i應滿足壓降不變原則，即：

其中D_i為平行微通道的水力直徑，θ為肋壁前端的尖銳角度，d_i為交錯區域的水力直徑。

7.根據權利要求1所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，所述上層蓋板(1)的材質為耐熱玻璃、硅、陶瓷或常用金屬不銹鋼、銅或鋁；底層微通道陣列板(2)的材質為硅、陶瓷或換熱器常用金屬不銹鋼、銅或鋁等；所述模擬熱源(3)為利用電阻發熱的電加熱元件。

8.一種基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱方法，其特征在于，所述微通道沸騰傳熱方法是單相液態工質由進液口(11)經進口儲液槽(25)進入周期性交錯分割排列的第一平行微通道陣列(21)、第二平行微通道陣列(22)、第三平行微通道陣列(23)、第四平行微通道陣列(24)，在模擬熱源(3的加熱熱流下，工質在周期性交錯分割排列的第一平行微通道陣列(21)、第二平行微通道陣列(22)、第三平行微通道陣列(23)、第四平行微通道陣列(24)內發生氣液相變而形成多相流，在第一平行微通道陣列(21)、第二平行微通道陣列(22)、第三平行微通道陣列(23)、第四平行微通道陣列(24)彼此交錯區域分別產生流體分割以及邊界層脫離和再發展，以及大氣泡周期性分割為小氣泡，同時實現顯熱和潛熱換熱的強化，達到同時實現五類強化傳熱模式：(1)通過氣相分割使得氣液接觸面的增加從而增加潛熱換熱量；(2)氣相分割使得氣液界面增加，氣泡周圍過熱液體內儲存的能量能夠從更多氣液交換面積進行釋放，減小了氣液界面的膨脹速率，從根本上抑制由于氣液界面快速膨脹導致的倒流以及流量、壓降、溫度的不穩定性；(3)大氣泡分割成小氣泡，延緩了大氣泡易于聚合形成蒸汽膜覆蓋加熱壁面而產生傳熱的惡化，增大了臨界熱流密度；(4)氣泡尾渦處由于流體的高度交混具有較高的傳熱系數，氣泡分割使得單個氣泡尾部擾流區域變為分割后的兩個尾部擾流區域，將顯著增強對流顯熱交換；(5)對于液相的周期性分割使近壁區熱邊界層周期性的脫離和重新再發展，由于熱邊界層的熱阻較大，周期性破壞邊界層，顯著減小近壁區換熱熱阻，提高對流顯熱交換。