CN104948912A - 一种液体自推进输送方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体自推进输送方法，在液体输送管内加工微结构，利用真空和加热手段，使输送管道内液体的温度达到其莱顿弗罗斯特温度，液体与管道内壁面之间产生一层稳定的蒸汽膜，液体不再与输送管道内壁面直接接触而处于悬浮状态，阻力最小；液体在具有不对称微结构的固体表面上会发生自推进的现象，达到自动输送。具有节约能源、传输流动阻力低的特点，尤其适合于粘稠流体的输送。

Description

一种液体自推进输送方法

技术领域

本发明涉及一种流体输送技术，特别涉及一种液体自推进输送方法。

背景技术

1756年德国医生莱顿弗罗斯特在一把烧的通红的铁勺上滴上一滴水珠，水珠竟然悬浮起来并持续30秒。水滴能够悬浮起来的原因在于，在接触炙热的铁勺后，水滴底部立即形成一层水蒸汽膜，把水珠与铁勺隔开，就使得水滴悬浮起来，使液滴与固体之间的传热量大大减小，减慢了汽化速度，因此悬浮时间延长，这就是莱顿弗罗斯特现象。以往，工业上极力阻止莱顿弗罗斯特效应的发生，尤其是在沸腾传热领域，因为这种现象会严重恶化传热过程，降低效率，甚至烧坏设备。但近些年，科学家们注意到莱顿弗罗斯特效应使得液滴处于悬浮的状态，极大地减小了液滴的移动阻力，这种近似于零摩擦的输送现象将极大地改善液体运输过程中的摩擦损失，进而节约能源。

发明内容

本发明是针对莱顿弗罗斯特效应运用的问题，提出了一种液体自推进输送方法，利用了产生莱顿弗罗斯特效应的液体在具有不对称微结构的固体表面上会发生自推进的现象，设计液体输送装置，达到节能效果。

本发明的技术方案为：一种液体自推进输送方法，具体包括如下步骤：

1)在输送管道的内壁面加工微结构，微结构为统一向一边倾斜的锯齿型波浪；

2)输送管道外的真空泵通过连接管和输送管道内连接，启动抽气泵，使输送管道内液体压力的降低；

3)启动管道外侧的加热器对管道进行加热，输送管道内液体的温度达到其莱顿弗罗斯特温度，液体与管道内壁面之间产生一层稳定的蒸汽膜，液体不再与输送管道内壁面直接接触而处于悬浮状态；

4)在输送管道的内壁面的倾斜锯齿型微结构上产生的压力差，输送管道内液体向倾斜边朝下的水平方向进行自推进。

所述管道内壁面斜锯齿型微结构，在蒸汽膜与接触表面之间形成了带沟道的直角三角形结构。

所述管道内液体所受的水平牵引力为：

$F_0=\frac{A_{eff}}{2}(p_A+p_B)ksin\mathrm{\θ}$

其中A_eff为液体与蒸汽膜之间的有效接触面积，k为常量，p_A为微结构锯齿尖端点的气压，p_B为微结构沟道内的气压，θ为锯齿结构的倾斜角，即直角三角形斜边与管道内部的夹角。

本发明的有益效果在于：本发明液体自推进输送方法，具有节约能源、传输流动阻力低的特点，尤其适合于粘稠流体的输送。

附图说明

图1为本发明液体自推进输送装置图；

图2为本发明利用莱顿弗罗斯特现象进行液体自推进的示意图；

图3为本发明装置中管道内壁面微结构示意图。

具体实施方式

液体自推进输送方法的具体实施步骤：

(1)在输送管道的内壁面上加工微结构表面如图1所示，微结构型式微斜锯齿型；

(2)由进液口2向管道内注入液体，真空泵1通过连接管3和输送管道连接，启动抽气泵1，随着输送管道内液体压力的降低，液体的沸点降低，对应的莱顿弗罗斯特温度也随之降低；

(3)启动管道加热器4对管道进行加热甚至在常温下(随管道内液体压力而定)，液体的温度达到其在该状况下的莱顿弗罗斯特温度，此时液体与管道内壁面之间产生一层稳定的蒸汽膜，液体不再与输送管道内壁面直接接触而是处于悬浮状态，液体与管道壁面之间的摩擦力显著降低；

(4)由于斜锯齿结构5的几何不对称，导致微结构间产生了向着某一特定方向的压力差，在该压力差的驱动下，悬浮液体会产生的定向移动，利用本步骤可以实现液体的自推进输送。

液体自推进输送原理：

1、莱顿弗罗斯特现象是一个经典的热学现象，是指高温表面与液滴之间产生一层过热的蒸汽膜将液滴托起，同时起到热绝缘的作用，以致液体与壁面之间要依靠气体膜两侧温度差传热的现象。进行换热的固体表面为平滑表面时，液体在表面附近只会发生沸腾而产生气泡，当把平滑的固体表面换成具有锯齿型微结构的微结构表面时，一方面，固液之间产生稳定的蒸汽膜而使得固液分离，另一方面，由于不对称的微结构而使得液体受到向着某一特定方向的推动力。

2、单位时间传给液体的热量Q正比于表面的接触面积A(即管道加热器所接触的管道外壁面积)，蒸汽的导热系数λ和蒸汽膜温度梯度△T/e，e为蒸汽膜厚度。但是在液体温度等于它的莱顿弗罗斯特温度的稳定状态下，所有传入的热量都被用来蒸发，液体的蒸发率为：

$\frac{dm}{dt}=\frac{\mathrm{\λ}}{L}\frac{\mathrm{\Δ}T}{e}A$

其中m为液体质量；L为蒸发潜热。△T为蒸汽膜的上下温差。

其次，由于液体的重力原因，引发了一个蒸汽的径向流动。由于蒸汽膜的厚度小，可以从纳维-斯托克斯方程和润滑近似法计算其速率。流动是径向的且边界条件是：V_r(r,z)|_z＝0＝V_r(r,z)|_z＝e＝0以至于V(r,z)∝z(e-z),其中r、z是管道径、轴向坐标。此外，考虑到在径向上流量是不变，有V(r,z)∝1/r。速度应该与液体施加的压差△P和蒸汽密度ρ_v成正比，并与它的粘度η成反比，此时可得

$\frac{dm}{dt}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\υ}}\frac{2{\mathrm{\πe}}^3}{3\mathrm{\η}}\mathrm{\Δ}P$

3、如图2所示，管道内壁面被加工成斜锯齿型，在蒸汽膜与接触表面之间形成了带沟道的直角三角形结构。这三角形的非平衡结构在自推进中起到了决定性作用，由于锯齿两侧角度不等，几何不对称，导致蒸汽膜中的蒸汽在逸出时，锯齿左侧蒸汽主要沿左侧沟道流动(泄流方向在垂直于纸面的方向)，而右侧蒸汽主要沿锯齿坡面运动(最终汇入其前方锯齿的沟道泄流)，因而锯齿尖端点的气压p_A大于沟道内的气压p_B，产生了向右侧的牵引力，于是液体发生向右的推进运动。同时由于液滴与蒸汽之间存在黏滞力，液滴在运行过程中还会受到蒸汽的黏滞阻力。

根据莱顿弗罗斯特现象的原理可知，在金属表面突出部分的蒸汽膜厚度最小，在这一点的蒸发速率最大，如图2中的锯齿尖端点P，因而蒸汽流会由P点向临近的B₁和B₂运动。其中由P向B₂流动的蒸汽流会在锯齿型金属表面的沟槽汇聚形成泄流气体，沿纸面垂直向内和向外的方向流动，因而不会对沿水平方向的牵引力F₀有贡献。水平方向的牵引力F₀主要由从P向B₂流动的气流气压提供。如图3所示管道内壁面微结构示意图，设蒸汽压梯度为dp/dx，x为面积元距锯齿尖端P的距离(见图2中x)，则液体与蒸汽膜接触面单位面积元dS处的蒸汽压为：假定液体表面边界光滑，液体与蒸汽膜间无滑动，可得水平牵引力为F₀＝k sinθ∫∫p(x)dS，其中k为常量，θ为锯齿结构的倾斜角(即直角三角形斜边与管道内部的夹角)。当压强梯度一定，设l为锯齿结构的斜面长度，有由此可以得到液体所受的水平牵引力为：

$F_0=\frac{A_{eff}}{2}(p_A+p_B)ksin\mathrm{\θ}$

其中A_eff为液体与蒸汽膜之间的有效接触面积。

液体是完全悬浮于蒸汽膜之上，由于蒸汽气流速度与液体运动速度间存在速度差，会产生黏滞阻力，应用牛顿黏性定律有：

$f=-\mathrm{q\η}\frac{A_{\mathrm{eff}}}{2}[\frac{d({\mathrm{\υ}}_x-\mathrm{\μ})}{\mathrm{dh}}+\frac{d({\mathrm{\υ}}_x+\mathrm{\μ})}{\mathrm{dh}}]$

其中：η为蒸汽的黏度，μ为蒸汽气流速度，h为蒸汽膜厚度，q为常量。可认为相对速度梯度一定，有定义β＝qηA_eff代入上式化简得：f＝-υ_xβ。

莱顿弗罗斯特现象产生时，液体完全悬浮于自身受热产生的蒸汽之上，液体与固体表面之间被一层稳定的蒸汽膜所隔开，固液之间几乎没有摩擦力，而液体与蒸汽膜之间的粘滞力相对与水平牵引力很小，因此在平衡力的作用下，实现了液体的自推进输送。

Claims (3)

1.一种液体自推进输送方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）在输送管道的内壁面加工微结构，微结构为统一向一边倾斜的锯齿型波浪；

2）输送管道外的真空泵通过连接管和输送管道内连接，启动抽气泵，使输送管道内液体压力的降低；

3）启动管道外侧的加热器对管道进行加热，输送管道内液体的温度达到其莱顿弗罗斯特温度，液体与管道内壁面之间产生一层稳定的蒸汽膜，液体不再与输送管道内壁面直接接触而处于悬浮状态；

4）在输送管道的内壁面的倾斜锯齿型微结构上产生的压力差，输送管道内液体向倾斜边朝下的水平方向进行自推进。

2.根据权利要求1所述液体自推进输送方法，其特征在于，所述管道内壁面斜锯齿型微结构，在蒸汽膜与接触表面之间形成了带沟道的直角三角形结构。

3.根据权利要求2所述液体自推进输送方法，其特征在于，所述管道内液体所受的水平牵引力为：

其中为液体与蒸汽膜之间的有效接触面积，k为常量，p _A为微结构锯齿尖端点的气压，p _B为微结构沟道内的气压，为锯齿结构的倾斜角，即直角三角形斜边与管道内部的夹角。