CN115014115A - 一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，包括以下步骤：S1：以所述的过热表面作为电极，在所述的过热表面附近架设产生离子风的装置；S2：打开所述的产生离子风的装置的电源，产生离子风；S3：对所述的过热表面喷洒液滴。所述液滴通过离子风带上电荷，在电场力的作用下挤压并驱散液滴底部因接触所述过热表面产生的蒸汽层，从而提高液滴和过热表面之间的传热效率，改善液滴冷却过热表面的效果。本发明操作简单、低成本、可在灭火系统的喷淋冷却、横管降膜蒸发器中液滴撞击换热管壁面、微电子系统、轧钢和金属铸造表面冷却等液滴撞击热态壁面相关的工程应用中进行推广。
Description
技术领域
本发明涉及液滴操控领域，尤其涉及一种基于离子风控制处于莱顿弗罗斯状态的液滴冷却过热表面的方法。
背景技术
液滴碰撞热态壁面过程普遍存在于工程应用中，如水平管降膜蒸发器中液滴对换热管表面的冲击，燃烧室中燃油喷射撞击壁面，微电子系统、安全灭火系统、轧钢和金属铸造表面冷却中采用的喷雾冷却技术等都涉及液滴碰撞热壁过程。当该过程中的温度过高时，液滴处于莱顿弗罗斯特状态，液滴底部快速蒸发产生的薄蒸汽层悬浮在过热表面上。由于没有直接的液-固接触，液滴和基底之间的热传递主要通过蒸汽层传导，使得处于莱顿弗罗斯特状态的液滴的热传递效率大幅度降低。
莱顿弗罗斯特状态的抑制可以通过提高莱顿弗罗斯特点(LFP)来实现，传统的手段，如改变表面润湿性和粗糙度、利用人工微结构和纳米结构等手段均能够显著提升LFP，但其存在制造工艺较繁琐复杂且成本高昂，易结垢，难以扩大规模，缺乏结构性耐久性等诸多问题。而采用外部刺激来提升LFP可以很好解决这些问题，其中采用离子风的方式可以使液滴带上电荷，在电场作用下挤压并驱散蒸汽层，提高液滴与过热壁面之间热传递效率，改善液滴冷却过热表面的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，通过离子风使液滴带上电荷，在电场作用下挤压驱散蒸汽层，提高液滴与过热壁面之间的传热效率，改善液滴冷却过热表面的效果。本发明可以解决因液滴在过热表面悬浮而导致热传递效率低下等问题，改善液滴碰撞热态壁面过程相关的工程应用。
本发明采用如下技术方案：
一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以过热表面作为电极，在所述的过热表面上方架设产生离子风的装置；
S2：打开所述的产生离子风的装置的电源，产生离子风；
S3：对所述的过热表面喷洒液滴。
进一步地，所述的过热表面的温度超过所述的喷洒液滴的莱顿弗罗斯特点。
进一步地，所述的液滴达到莱顿弗罗斯特点时，与所述的过热表面接触时，会产生蒸汽层呈现悬浮的状态。
进一步地，所述产生离子风的装置距离所述过热表面上方3～10cm处。
进一步地，以所述的过热表面作为电极，构成所述的产生离子风的装置的结构可以是针-板式结构、线-板式结构或其他产生离子风的结构。
进一步地，所述产生离子风的装置包括电源、针尖，所述电源正极连接所述针尖，所述电源的负极连接所述过热表面。
进一步地，连接所述的电极结构的电源可以是不同类型的DC或AC电源。
进一步地，所述的液滴可以由各种能喷出液滴的装置喷出。
进一步地，所述的液滴为水、乙醇、纳米流体以及含添加剂的水溶液。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
传统的提升LFP点来解决液滴在过热表面冷却效果不佳的技术手段，如基底表面改造工艺等存在制造过程较繁琐复杂、成本高昂，易结垢，难以扩大规模，缺乏结构性耐久性等诸多问题。本发明提供了一种新的操控液滴冷却过热表面的方法，即采用外部刺激——离子风来控制液滴在过热表面挤压并驱散产生的蒸汽层，从而提高液滴与过热表面之间热传递效率，为改善液滴冷却过热表面提供新的思路。
附图说明
图1是实施例1的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法流程图；
图2是实施例1的液滴操控原理示意图；虚线部分表示水滴和蒸汽层在电场力作用下的挤压变形情况；箭头表示电场力；
图3是实施例2的一种基于离子风控制液滴喷淋冷却过热表面的示意图；
图中，图中,1-过热表面,2-蒸汽层，3-水滴，4-针尖，5-电源,6-喷嘴。
具体实施方式
本发明提供了一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更佳清楚、明确，以下结合具体实施例对本发明进一步详细说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件和装置连接等有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1：
如图1为一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法的流程图，其具体的操作步骤如下：
S1：以过热表面作为电极，在距离所述的过热表面上方架设产生离子风的装置；
S2：打开所述的产生离子风的装置的电源，产生离子风；
S3：对所述的过热表面喷洒液滴。
在上述实施例中，过热表面通过加热实现，使其温度达到200℃；在距离过热表面1上3cm处架设一针尖4。将高压电源5的正极和负极分别与针尖4和过热表面1连接；在过热表面1上滴1mL水滴3；调节高压电源输出电源的电压为8kV。
如图2为实施例1的液滴操控原理示意图，虚线部分表示水滴和蒸汽层在电场力作用下的挤压变形情况。实施例1通过电晕放电的方式产生离子风，即针尖4附近气体在8kV高压作用下发生碰撞电离产生带电粒子，带电粒子在电场作用下加速，并与空气分子碰撞引起动量交换，产生离子风。当水滴3在离子风的作用下带上正电荷，并受到电场力作用挤压并驱散因水滴3接触过热表面1产生的蒸汽层2，使得水滴3和过热表面1散热接触面积增加，大大提高液滴3和过热表面1之间的传热效率。
实施例2：
如图3为一种基于离子风来控制液滴喷淋冷却过热表面的示意图，其具体的操作步骤如下：
S1：以过热表面作为电极，在距离所述的过热表面上方架设产生离子风的装置；
S2：打开所述的产生离子风的装置的电源，产生离子风；
S3：对所述的过热表面喷洒液滴。
在上述实施例中，过热表面通过加热实现，使其温度达到350℃；在距离过热表面1上10cm处架设一针尖4。将高压电源5的正极和负极分别与针尖4和过热表面1连接；调节高压电源输出电源的电压为10kV。打开喷嘴6对过热表面1大量喷撒液滴。其中液滴为水、乙醇、纳米流体以及含添加剂的水溶液其中的一种。
在上述实施例中，喷射液滴的时候，由于表面温度太高，会直接导致液滴下表面的部分汽化变成气体生成蒸汽层。蒸汽层就会出现在液滴和过热表面间阻碍传热。在离子风的作用下，液滴带上电荷并在电场的作用下挤压驱赶产生的蒸汽层，喷嘴6喷出的液滴迅速使过热壁面冷却下来。
在实施例2的基础上，给系统增加温度传感器，压力传感器等，均由电脑程序操作控制，使基于离子风来控制液滴喷淋冷却过热表面的系统可朝着无人化、自动化方向发展。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以过热表面作为电极，在距离所述的过热表面上方架设产生离子风的装置；
S2：打开所述的产生离子风的装置的电源，产生离子风；
S3：对所述的过热表面喷洒液滴。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，所述的过热表面的温度超过所述的喷洒液滴的莱顿弗罗斯特点。
3.根据权利要求2所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，所述的液滴达到莱顿弗罗斯特点时，与所述的过热表面接触时，会产生蒸汽层呈现悬浮的状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，所述产生离子风的装置距离所述过热表面上方3～10cm处。
5.根据权利要求1所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，以所述的过热表面作为电极，构成所述的产生离子风的装置的结构可以是针-板式结构、线-板式结构或其他产生离子风的结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，所述产生离子风的装置包括电源、针尖，所述电源正极连接所述针尖，所述电源的负极连接所述过热表面。
7.根据权利要求5所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，连接所述的电极结构的电源可以是不同类型的DC或AC电源。
8.根据权利要求1所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，所述的液滴可以由各种能喷出液滴的装置喷出。
9.根据权利要求1所述的一种基于离子风控制液滴冷却过热表面的方法，其特征在于，所述的液滴为水、乙醇、纳米流体以及含添加剂的水溶液。
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