CN110274508B - 一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法，该主动式强化传热装置包括壳体、传热板、阴极电极和阳极电极；其中，壳体与传热板固定连接并围合形成一容置腔体，容置腔体内填充有电解质溶液；阴极电极设于传热板朝向容置腔体的表面上；阳极电极插设于电解质溶液中。通过以上方式，本发明主动式强化传热装置通过有源强化技术利用电解原理可在传热壁面上原位生长汽泡，以更加真实地模核态沸腾阶段汽泡生长过程，可实现沸腾传热过程实时主动调控的要求，起到加速起沸的作用，强化传热效率，结构简单，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及散热技术领域，具体涉及一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法。
背景技术
能源的开发和利用一直是人类长足发展的研究课题，随着不可再生资源的逐步匮乏，世界各国一方面积极探索和开发新能源，另一方面也在积极研究提高能源转化效率的方式和技术。其中，强化沸腾技术的突破将对石油化工、航空航天、微电子机械等领域的能源有效利用带来极大的贡献，从而提高能源利用率。
经典饱和池沸腾传热曲线如图1所示，从左到右主要分为以下几个阶段：自然对流时期、孤立汽泡时期、充分发展的泡核沸腾时期（简称汽块时期）、过度沸腾时期以及稳定膜态沸腾时期，其中几个主要的时期转折点为起始沸腾点（Onset Nucleate Boiling，ONB）、最大临界热流密度（Maximum Critical Heat Flux，CHF），以及最小热流密度（MinimumHeat Flux，MHF），图1中纵坐标q’’代表沸腾传热的热流密度，横坐标为log（ΔTsat），ΔTsat=Tw-Tsat，Tw代表传热壁面温度，Tsat代表液体饱和沸腾温度。通过对经典饱和池沸腾曲线的研究发现，汽泡的生长、脱离所带来的局部剧烈扰动是核沸腾产生高传热系数的原因。同时，由于加热固体表面与液体之间存在一层极薄的热边界层，热边界层内任何剧烈机械扰动都将造成传热效率的显著变化。
目前对于强化沸腾传热技术的研究主要包含两种，其一是通过实验或数值模拟对单个或少量汽泡的形成、生长、脱附做研究，例如有研究人员通过采用气体鼓泡方式强迫气体通过换热面在近壁面热边界层带来人为汽泡扰动，但这种方法并不太适用于工程实际应用；另一种研究方法是通过从实际应用出发进行大量大空间核沸腾实验，探究不同因素对强化沸腾传热效果的影响，但在核沸腾实验的沸腾产热过程中往往存在两种常见的困境，一是加热时存在壁面过热，但此时并未生成汽泡，因此大大降低了能源利用率，二是系统已经处于沸腾传热阶段，但是此时会发生汽泡合并生成气膜，造成传热恶化。
发明内容
为了至少解决上述技术问题之一，本发明提供一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法。
本发明所采用的技术方案是：一种主动式强化传热装置，包括壳体、传热板、阴极电极和阳极电极；所述壳体与所述传热板固定连接并围合形成一容置腔体，所述容置腔体内填充有电解质溶液；所述阴极电极设于所述传热板朝向所述容置腔体的表面上，所述阳极电极插设于所述电解质溶液中；或者，所述阳极电极设于所述传热板朝向所述容置腔体的表面上，所述阴极电极插设于所述电解质溶液中。
优选地，阴极电极设于传热板朝向容置腔体的表面，阳极电极插设于电解质溶液中。由于通过电源组件向阴极电极和阳极电极之间施加电压使电解质溶液电解过程中，阴极电极一端的产气量往往大于阳极电极一端的产气量，将阴极电极设于传热板的表面可更有效地强化传热；另外，阴极电极一端发生还原反应所生成的氢气密度小，易于上升，在沸腾发生时可带动水蒸汽产生汽泡脱附，延迟汽泡合并带来的传热恶化。
根据本发明一具体实施例，所述电解质溶液为可溶于水且不产生毒性的电解质溶液；优选地，所述电解质溶液选自NaOH溶液、KOH溶液、NaCl溶液或LiCl溶液。
根据本发明一具体实施例，所述阴极电极和所述阳极电极的材料为具有导电性且与电解质溶液之间具有化学惰性的电极材料；优选地，所述阴极电极的材料选自金属Cu、Au、Pt、Ag中的任一种；所述阳极电极的材料选自玻璃碳、碳棒、碳纳米管中的至少一种。
根据本发明一具体实施例，所述阴极电极设于所述传热板朝向所述容置腔体的表面上；所述阳极电极插设于所述电解质溶液中，且与所述壳体固定连接。
根据本发明一具体实施例，所述壳体通过所述阴极电极与所述传热板固定连接并围合形成一容置腔体。
根据本发明一具体实施例，所述阴极电极与所述传热板之间设有粘合剂层，所述阴极电极与所述壳体通过封装胶固定连接。
根据本发明一具体实施例，所述容置腔体为上部开口的容置腔体或密闭的容置腔体。
根据本发明一具体实施例，所述主动式强化传热装置还包括电源组件，所述电源组件包括正极和负极，所述正极与所述阳极电极电性连接，所述负极与所述阴极电极电性连接。
根据本发明一具体实施例，所述主动式强化传热装置还包括用于收集所述容置腔体内所产生气体的气体收集装置。
另外，本发明还提供了一种主动式强化传热方法，包括以下步骤：
S1、采用以上任一种主动式强化传热装置，将传热板与发热元件接触；
S2、通过电源组件向阳极电极和阴极电极之间施加电压，以使电解质溶液发生电解。
本发明的有益技术效果是：本发明提供一种主动式强化传热装置及主动式强化传热方法，该主动式强化传热装置通过在壳体与传热板围合形成的容置腔体内填充电解质溶液，在传热板朝向容置腔体的表面上设置阴极电极（或阳极电极），并在电解质溶液中插设与传热板表面上电极相对应的阳极电极（或阴极电极），阳极电极和阴极电极可分别与电源组件的正极和负极电性连接，以通过电源组件施加电压使电解质溶液在电场作用下发生电解，在阳极电极一端发生氧化反应生成氧气或其他气体，而在阴极电极一端发生还原反应生成氢气。通过电解产生的汽泡，可增强汽泡扰动，模拟沸腾传热，强化传热效率，避免传热壁面过热仍未产生汽泡的情况发生；并且通过电解产生的汽泡在传热壁面可实现较为均匀地分布；这是一种有源强化传热技术，可通过电源组件控制电解电流的大小以控制汽泡的生长速度，从而间接控制传热性能，并且该过程所需使用到的电压较低，在一定程度上不会带来资源的过渡消耗，成本较低；另外，该强化传热方式不受加热壁面的微观形貌和湿润性局限，具有广泛的适用性和可控性。综上，本发明主动式强化传热装置通过有源强化技术利用电解原理在传热壁面上原位生长汽泡，以更加真实地模核态沸腾阶段汽泡生长过程，可实现沸腾传热过程实时主动调控的要求，起到加速起沸的作用，强化传热效率，结构简单，节约成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。
图1 是经典饱和池沸腾传热曲线图；
图2 是本发明主动式强化传热装置一实施例的结构示意图；
图3 为图2所示主动式强化传热装置的工作原理示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的，而术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，在不冲突的情况下本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图2，图2是本发明主动式强化传热装置一实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例主动式强化传热装置包括壳体1、传热板2、阴极电极3和阳极电极4；壳体1与传热板2固定连接并围合形成一容置腔体，容置腔体内填充有电解质溶液5，阴极电极3设于传热板2朝向容置腔体的表面上；阳极电极4插设于电解质溶液5中。
壳体1具体可选用有机玻璃壳体或其他材质的壳体，传热板2用于发热元件接触。在本实施例中，阴极电极3与传热板2之间设有粘结剂层6，以通过粘结剂层6将阴极电极3固定于传热板2朝向容置腔体的表面上，并与电解质溶液5接触；壳体1固定连接于传热板2上的阴极电极3上，以通过阴极电极3与传热板2固定连接。阴极电极3和壳体1通过封装胶7固定连接，以保证密封性。在其他实施例中，壳体1也可与传热板2直接固定连接。
在本实施例中，壳体1与传热板2固定连接并围合形成一上部开口的容置腔体，且整体呈方形结构，传热板2设于容置腔体的侧边。容置腔体上部开口可便于使用过程气体的排出，传热板2设于容置腔体的侧边，可更利于装置工作过程所产生汽泡的上升脱附。在其他实施例中，传热板2也可设于容置腔体的底部；容置腔体也可设置为密闭的形式，而为了避免使用过程中产生气体内部压力过大，也可进一步设置相应的排气口，以便于排气。此外，在其他实施例中，主动式强化传热装置还可包括用于收集容置腔体内所产生气体的气体收集装置；该气体收集装置可设于容置腔体的上端，或者也可设于容置腔体外部且与容置腔体上端连通。
电解质溶液5填充于容置腔体内，其一般为可溶于水且不产生毒性的电解质溶液，且通常为电解质水溶液，具体可选用NaOH溶液、KOH溶液、NaCl溶液、LiCl溶液等。在本实施例中，电解质溶液5为NaOH溶液。
阴极电极3和阳极电极4一般由具有良好导电性且与电解质溶液之间具有化学惰性（即不易或不与电解质溶液发生化学反应）的电极材料制成。阴极电极3通常还需具有较好传热功能，以同时满足作为电解电极和传热壁面的双向需求；阴极电极3的材料具体可选用金属Cu、Au、Pt、Ag等；阳极电极的材料可选用玻璃碳、碳棒、碳纳米管中的任一种。在本实施例中，阴极电极3为金属铜电极，阳极电极4为玻碳电极。以金属铜作为阴极电极3的材料，其导电性能良好，便宜易得，可节约成本。另外，在本实施例中，阳极电极4与壳体1固定连接且插设于电解质溶液5中。当然，在其他实施例中，阳极电极4也可采用其他固定方式，如通过绝缘连接件固定连接于传热板2上。
本实施例中，阴极电极3贴合固定于传热板2朝向容置腔体的表面上，阳极电极4插设于电解质溶液5中；而在其他实施例中，阴极电极3和阳极电极4的位置也可互换，将阳极电极4设于传热板2朝向容置腔体的表面上，阴极电极3插设于电解质溶液5中。
在本实施例中，该主动式强化传热装置还包括电源组件8，电源组件8包括正极和负极，电源组件8的正极与阳极电极4电性连接，负极与阴极电极3电性连接，以在装置工作过程向阴极电极3和阳极电极4供电，使电解质溶液5在电场作用下发生电解。当然，在其他实施例中，主动式强化传热装置本身也可不包含电源组件8，使用时再额外配合电源组件工作，具体将阳极电极4与电源组件的正极电性连接，阴极电极3与电源组件的负极电性连接。
请参阅图3，图3为图2所示主动式强化传热装置的工作原理示意图。如图3所示，主动式强化传热装置在工作时，传热板2与发热元件（图中未示出）接触，同时通过电源组件8对阴极电极3和阳极电极4施压一定电压，此时，阴极电极3同时作为电解电极和传热壁面；通过发热元件进行加热，热量通过传热板2传至阴极电极3，对阴极电极3进行加热，电解质溶液5会在阴极电极3表面形成不规则的小汽泡，通过电源组件8对阴极电极3和阳极电极4施加电压，电解质溶液5在电场作用下发生水解，在阳极电极4一端发生氧化反应生成氧气（若采用其他电解质溶液，阳极电极4一端也可能生成其他气体，例如采用NaCl溶液则可能产生Cl2），在阴极电极3的表面会生成大量较为均匀的氢气汽泡，从而可加速沸腾传热过程中汽泡的生成，这样剧烈且规则的机械扰动使传热效率显著提高，可避免传热壁面过热仍未产生汽泡的情况发生；且通过电解产生的汽泡在传热壁面可实现较为均匀的分布；另外，这为有源强化传热，可通过电源组件8调控电解电流的大小以控制汽泡的生长速度，从而控制传热性能；且在该过程所需要施加的电压较低，通常高于水的电解电压（大于3V）即可实现对电解过程的控制，在一定程度上不会带来资源的过渡消耗，成本较低。另外，由于氢气密度小，易于上升，在沸腾发生时可带动水蒸气产生汽泡脱附，延迟汽泡合并带来的传热恶化；再有，以上强化传热方式不受加热壁面的微观形貌和湿润性局限，具有广泛的适用性和可控性，适合工程实际应用。
本发明还提供了一种主动式强化传热方法，包括以下步骤：采用以上任一种主动式强化传热装置，将传热板与发热元件接触，以将热量通过传热板传至阴极电极，并通过电源组件向阳极电极和阴极电极之间施加电压，以使电解质溶液发生电解。该主动式强化传热方法的原理与以上结合图3所描述的工作原理基本相同，其通过电源组件向阳极电极和阴极电极之间施加电压，以利用电解原理在传热壁面（即与电解质溶液接触的阴极电极表面）上原位生长汽泡，以实现主动调控，加速起沸，强化传热效率。其中，电源组件的正极和负极对应电性连接阳极电极和阴极电极；而电源组件所施加的电压大于3V即可，例如可为5V、8V、10V、12V、15V、20V、30V等；另外，还可动态调整电压，通过动态调整电压可使汽泡的产生发生波动，可更利于汽泡的脱附，提高传热效率。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种主动式强化传热装置，其特征在于，包括壳体、传热板、阴极电极和阳极电极；所述壳体与所述传热板固定连接并围合形成一容置腔体，所述容置腔体内填充有电解质溶液；所述阴极电极设于所述传热板朝向所述容置腔体的表面上，所述阳极电极插设于所述电解质溶液中，且与所述壳体固定连接。
2.根据权利要求1所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述电解质溶液为可溶于水且不产生毒性的电解质溶液。
3.根据权利要求2所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述电解质溶液选自NaOH溶液、KOH溶液、NaCl溶液或LiCl溶液。
4.根据权利要求1所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述阴极电极和所述阳极电极的材料为具有导电性且与电解质溶液之间具有化学惰性的电极材料。
5.根据权利要求4所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述阴极电极的材料选自金属Cu、Au、Pt、Ag中的任一种；所述阳极电极的材料选自为玻璃碳、碳棒、碳纳米管中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述壳体通过所述阴极电极与所述传热板固定连接并围合形成一容置腔体。
7.根据权利要求6所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述阴极电极与所述传热板之间设有粘合剂层，所述阴极电极与所述壳体通过封装胶固定连接。
8.根据权利要求1所述的主动式强化传热装置，其特征在于，所述容置腔体为上部开口的容置腔体或密闭的容置腔体。
9.根据权利要求1-8任一项所述的主动式强化传热装置，其特征在于，还包括电源组件，所述电源组件包括正极和负极，所述正极与所述阳极电极电性连接，所述负极与所述阴极电极电性连接。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的主动式强化传热装置，其特征在于，还包括用于收集所述容置腔体内所产生气体的气体收集装置。
11.一种主动式强化传热方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用权利要求1-10中任一项所述的主动式强化传热装置，将传热板与发热元件接触；
S2、通过电源组件向阳极电极和阴极电极之间施加电压，以使电解质溶液发生电解。
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