RU2637802C1

RU2637802C1 - Intensifying heat exchange surface for extension of dynamic meniscus

Info

Publication number: RU2637802C1
Application number: RU2016152543A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Кабов; Елизавета Яковлевна Гатапова
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2017-12-07

Abstract

FIELD: heating system.

SUBSTANCE: on longitudinal ribs of intensifying micro-ribbed heat exchange surfaces perform many longitudinal microgrooves, asymmetrically located relative to the plane of longitudinal ribs and having different widths. The width of the micro-groove is the smaller, the closer it is to the apex of the rib.

EFFECT: increasing the efficiency of evaporation by creating a micro-ribbed surface with a large area of three-phase contact lines.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области электроники, в частности к испарительным системам охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования, таким, как микроканальные теплообменники и тепловые трубы, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах.The invention relates to the field of electronics, in particular to evaporative cooling systems for electronic and microelectronic equipment, such as microchannel heat exchangers and heat pipes, which provide high values of the heat transfer coefficient in high-voltage heat flux mini and microsystems.

Для интенсификации теплообмена в испарительных системах охлаждения используют различные способы развития поверхности, в том числе нанесения мини- и микрооребрения различной формы, поверхностной упорядоченной и неупорядоченной шероховатости, частичной перфорации и многое другое.To intensify heat transfer in evaporative cooling systems, various surface development methods are used, including applying mini- and micro-fins of various shapes, surface ordered and disordered roughness, partial perforation, and much more.

Известно техническое решение, описанное в статье [Marangoni convection and heat transfer in thin liquid films on heated walls with topography: Experiments and numerical study, Physics of Fluids, 2005, 17, 062106]. Рассмотрено экспериментальное исследование влияния эффекта Марангони на теплообмен в тонких пленках жидкости, стекающих по нагреваемым микроструктурированным горизонтальным поверхностям. В экспериментах использовалась поверхность с продольным микрооребрением. В поперечном сечении ребра имели треугольную форму, а межреберные впадины - форму трапеции. Теоретически было установлено, а экспериментально подтверждено, что интенсивность теплообмена на нагреваемых оребренных поверхностях зависит от структуры оребрения, и за счет оптимизации структуры можно увеличить интенсификацию теплообмена до 30%.A technical solution is known, described in the article [Marangoni convection and heat transfer in thin liquid films on heated walls with topography: Experiments and numerical study, Physics of Fluids, 2005, 17, 062106]. An experimental study of the influence of the Marangoni effect on heat transfer in thin liquid films flowing down on heated microstructured horizontal surfaces is considered. In the experiments, a surface with longitudinal microfinning was used. In the cross section, the ribs had a triangular shape, and intercostal cavities - the shape of a trapezoid. It was theoretically established, and experimentally confirmed, that the heat transfer intensity on heated finned surfaces depends on the finning structure, and by optimizing the structure, heat transfer intensification can be increased up to 30%.

Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в статье [В.В. Чеверда, О.А. Кабов, Кризис теплообмена на микрооребренном нагревателе при течении пленки жидкости FC-72 под действием потока газа в миниканале, Теплофизика и аэромеханика, 2016, том 23, №6]. В экспериментальном исследовании кризиса теплообмена при движении пленки жидкости под действием потока газа в плоском миниканале используют нагреватель с микрооребренной поверхностью. Микрооребрение ориентировано по потоку с шириной отдельно взятой структуры w=0,3 или 0,5 мм.The closest technical solution, which can be considered as a prototype, is described in the article [V.V. Cheverda, O.A. Kabov, Heat transfer crisis on a micro-fin heater with FC-72 fluid film flow under the influence of a gas flow in a minichannel, Thermophysics and Aeromechanics, 2016, Volume 23, No. 6]. In an experimental study of the heat transfer crisis during the motion of a liquid film under the action of a gas stream in a flat minichannel, a heater with a micro-fin surface is used. The microfinning is oriented downstream with the width of a single structure w = 0.3 or 0.5 mm.

При течении жидкости по такой поверхности вследствие испарения в межреберных впадинах формируется мениск жидкости. Вершины ребер оголяются от жидкости. На каждой вершине ребра формируется две области с очень тонкой пленкой жидкости, фиг. 1, где 1 - микрооребренная поверхность; 2 - мениск жидкости; 3 - «микрорегион»; 4 - межреберная впадина; 5 - ребро. Здесь понятие мениск жидкости равносилен понятию «удлиненный мениск жидкости», который включает в себя существенную часть мениска, где играют роль в основном только капиллярные силы, а также включает «микрорегион», где важно также действие расклинивающего давления.When fluid flows over such a surface due to evaporation, a meniscus is formed in the intercostal cavities. The tops of the ribs are exposed from the liquid. At each vertex of the rib, two regions with a very thin film of liquid are formed, FIG. 1, where 1 is the microfinished surface; 2 - meniscus fluid; 3 - "microregion"; 4 - intercostal cavity; 5 - rib. Here the concept of meniscus fluid is equivalent to the concept of “elongated meniscus fluid”, which includes a substantial part of the meniscus, where only capillary forces play a role, and also includes the “microregion”, where the action of the wedging pressure is also important.

Такие области в научной литературе называют «микрорегионом». В данной области происходит контакт трех фаз газ - жидкость - твердое тело, что обеспечивает очень высокую интенсивность испарения. Данный факт подтвержден целым рядом теоретических и экспериментальных работ [Р.С. Stephan, С.A. Busse, Analysis of the heat transfer coefficient of grooved heat pipe evaporator walls, Int. J. Heat Mass Transfer, 1992, 35 (2) 383-391; C. Kunkelmann, K. Ibrahem, N. Schweizer, S. Herbert, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman, The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations, Int. J. Heat Mass Transfer, 2012, 22, 1896-1904]. Вследствие испарения в межреберных впадинах мениск жидкости углубляется в канавку, что приводит к росту кривизны границы раздела газ - жидкость и, как следствие, к капиллярному транспорту жидкости вдоль нагреваемой поверхности. Тем не менее, значительная часть поверхности ребра оголяется от жидкости и уже не участвует в процессе испарения, что заметно снижает эффективность испарителя.Such areas in the scientific literature are called the "microregion". In this area, the contact occurs of the three phases gas - liquid - solid, which provides a very high evaporation rate. This fact is confirmed by a number of theoretical and experimental works [R.S. Stephan, C.A. Busse, Analysis of the heat transfer coefficient of grooved heat pipe evaporator walls, Int. J. Heat Mass Transfer, 1992, 35 (2) 383-391; C. Kunkelmann, K. Ibrahem, N. Schweizer, S. Herbert, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman, The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations, Int. J. Heat Mass Transfer, 2012, 22, 1896-1904]. Due to evaporation in the intercostal cavities, the meniscus of the liquid deepens into the groove, which leads to an increase in the curvature of the gas-liquid interface and, as a result, to capillary transport of the liquid along the heated surface. However, a significant part of the surface of the rib is exposed to liquid and is no longer involved in the evaporation process, which significantly reduces the efficiency of the evaporator.

Недостатками указанных технических решений является относительно малая площадь линий контакта трех фаз по сравнению с площадью ребра, что заметно снижает эффективность испарителя.The disadvantages of these technical solutions is the relatively small area of the contact lines of the three phases in comparison with the area of the ribs, which significantly reduces the efficiency of the evaporator.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности испарения за счет создания микрооребренной поверхности для удлинения динамического мениска, что обеспечивает значительную площадь линий контакта трех фаз по сравнению с прототипом.The task of the invention is to increase the efficiency of evaporation by creating a micro-finned surface for lengthening the dynamic meniscus, which provides a significant area of the contact lines of the three phases in comparison with the prototype.

Согласно изобретению на продольных ребрах интенсифицирующей микрооребренной теплообменной поверхности выполнено множество имеющих треугольную форму в поперечном сечении продольных микроканавок, несимметрично расположенных относительно плоскости продольного сечения ребра и имеющих различную ширину, причем ширина микроканавки тем меньше, чем ближе она к вершине ребра.According to the invention, a plurality of triangular shape in the cross section of longitudinal grooves, asymmetrically located relative to the plane of the longitudinal section of the ribs and having a different width, are made on the longitudinal ribs of the intensifying micro-fin heat exchange surface, and the width of the microgroove is smaller, the closer it is to the top of the ribs.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 2, 3, 4 и 5.The essence of the claimed invention is illustrated in FIG. 2, 3, 4 and 5.

Фиг. 2 - поперечное сечение ребра с продольными микроканавками, имеющими в поперечном сечении форму равнобедренного или равностороннего треугольника, ориентированными так, что ось симметрии микроканавки перпендикулярна боковой стороне ребра.FIG. 2 is a cross section of a rib with longitudinal micro-grooves having an isosceles or equilateral triangle in cross section, oriented so that the axis of symmetry of the micro groove is perpendicular to the side of the rib.

Фиг. 3 - поперечное сечение ребра с продольными микроканавками, имеющими в поперечном сечении форму разностороннего треугольника.FIG. 3 is a cross section of a rib with longitudinal micro-grooves having a cross-sectional triangle in cross section.

Фиг. 4 - схема движения жидкости интенсифицированной теплообменной поверхности, вид сбоку.FIG. 4 is a side view of a fluid flow diagram of an intensified heat exchange surface.

Фиг. 5 - схема движения жидкости интенсифицированной теплообменной поверхности, вид сверху.FIG. 5 is a diagram of a fluid motion of an intensified heat exchange surface, top view.

Где: 1 - микрооребренная поверхность; 2 - удлиненный мениск жидкости; 3 - «микрорегион»; 4 - межреберная впадина; 5 - ребро; 6 - боковые стороны ребра; 7 - микроканавки; 8 - артерия жидкости в микроканавке; 9 - линия контакта трех фаз; 10 - вершина ребра; 11 - центр межреберной впадины; L - длина артерии жидкости в продольной микроканавке; С - длина всей поверхности теплообмена с интенсивным капиллярным транспортом жидкости вдоль ребра.Where: 1 - micro-ribbed surface; 2 - elongated meniscus fluid; 3 - "microregion"; 4 - intercostal cavity; 5 - rib; 6 - sides of the rib; 7 - microgrooves; 8 - fluid artery in a microgroove; 9 - contact line of three phases; 10 - top of the rib; 11 - the center of the intercostal cavity; L is the length of the fluid artery in a longitudinal microgroove; C is the length of the entire heat exchange surface with intense capillary transport of fluid along the rib.

Заявляемое изобретение содержит теплообменную поверхность 1 с продольными микроребрами. На каждой боковой стороне ребра 6 выполнено множество микроканавок 7. Продольные микроребра и микроканавки на поверхности нагрева выполняют с помощью различных технологий, например, фрезерованием.The claimed invention comprises a heat exchange surface 1 with longitudinal microfins. On each side of the rib 6 there are many micro-grooves 7. Longitudinal micro-ribs and micro-grooves on the heating surface are performed using various technologies, for example, by milling.

Если на каждой боковой стороне ребра выполнено N продольных микроканавок, то количество линий контакта трех фаз на ребре составит 2+4N. Например, в случае N=3, количество линий контакта трех фаз на ребре = 14, т.е. возрастает в 7 раз. Площадь ребра, где происходит интенсивный теплообмен, возрастает, что повышает эффективность работы всей системы.If N longitudinal micro-grooves are made on each side of the rib, then the number of contact lines of the three phases on the rib will be 2 + 4N. For example, in the case N = 3, the number of contact lines of the three phases on the edge = 14, i.e. increases by 7 times. The rib area, where intense heat transfer occurs, increases, which increases the efficiency of the entire system.

Наиболее оптимальной формой продольных микроканавок является треугольная, так как такая форма обеспечивает максимальную кривизну границы раздела газ - жидкость и капиллярный транспорт жидкости вдоль нагреваемой поверхности.The most optimal shape of the longitudinal grooves is triangular, since this shape provides the maximum curvature of the gas-liquid interface and the capillary transport of liquid along the heated surface.

Причем в поперечном сечении микроканавка может иметь форму треугольника любого вида, остроугольного, тупоугольного и прямоугольного.Moreover, in the cross section, the micro-groove can be in the form of a triangle of any kind, acute-angled, obtuse, and rectangular.

Ориентация канавок зависит от технологии их производства.The orientation of the grooves depends on the technology of their production.

Канавки, имеющие в поперечном сечении форму равнобедренного или равностороннего треугольника, выполняют так, что ось симметрии располагается перпендикулярно к боковой стороне ребра, как показано на фиг. 2.Grooves having a cross-sectional shape of an isosceles or equilateral triangle are configured so that the axis of symmetry is perpendicular to the side of the rib, as shown in FIG. 2.

Микроканавки расположены несимметрично относительно плоскости продольного сечения ребра, чтобы в минимальной степени снижать теплопроводность вдоль основного ребра.The micro-grooves are located asymmetrically relative to the plane of the longitudinal section of the rib, in order to minimize thermal conductivity along the main rib.

Микроканавки выполняют различной ширины, причем ширина микроканавок уменьшается по направлению к вершине ребра, т.е. чем ближе микроканавка к вершине ребра, тем меньше ее ширина.The micro-grooves are of different widths, and the width of the micro-grooves decreases towards the top of the rib, i.e. the closer the microgroove is to the top of the rib, the smaller its width.

Размер, ориентация и расположение микроканавок позволяют увеличить площадь тонкой пленки и, следовательно, увеличить длину границы раздела газ - жидкость и интенсивность испарения.The size, orientation, and location of the microgrooves make it possible to increase the area of the thin film and, therefore, to increase the length of the gas – liquid interface and the evaporation rate.

Заявляемое изобретение работает следующим образом. Поток сплошной тонкой пленки жидкости натекает на нагреваемую микрооребренную поверхность 1 с продольными ребрами 5. Жидкость интенсивно испаряется, протекая по поверхности, что приводит к росту кривизны мениска 2 в межреберных впадинах 4 вдоль поверхности и появлению перепада давления в пленке жидкости. Возникает эффект, широко используемый для транспорта теплоносителя в тепловых трубах с канавками [Heat Pipes / Ed. by D.A. Reay, P.A. Kew, R.J. McGlen. 6th Ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014, 288 p.].The claimed invention works as follows. A stream of a continuous thin film of liquid flows onto a heated microcostal surface 1 with longitudinal ribs 5. The liquid intensively evaporates, flowing along the surface, which leads to an increase in the curvature of the meniscus 2 in the intercostal cavities 4 along the surface and the appearance of a pressure drop in the liquid film. There is an effect that is widely used for transporting coolant in heat pipes with grooves [Heat Pipes / Ed. by D.A. Reay, P.A. Kew, R.J. McGlen. 6th Ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014, 288 p.].

Каждая продольная микроканавка 7 удерживает в себе жидкость и образует мениск 2, как показано на фиг. 1. Чем меньше размер микроканавки, тем выше кривизна границы раздела газ-жидкость и капиллярный транспорт жидкости вдоль нагреваемой поверхности.Each longitudinal groove 7 retains fluid and forms a meniscus 2, as shown in FIG. 1. The smaller the size of the microgroove, the higher the curvature of the gas-liquid interface and the capillary transport of a liquid along a heated surface.

Схема движения жидкости по предложенной поверхности показана на фиг. 4 и 5. Длина артерии жидкости в продольной микроканавке, L, зависит от многих факторов, главным из которых является плотность теплового потока.A flow diagram of the fluid on the proposed surface is shown in FIG. 4 and 5. The length of the fluid artery in the longitudinal groove, L, depends on many factors, the main of which is the heat flux density.

Длина всей поверхности теплообмена с интенсивным капиллярным транспортом жидкости вдоль поверхности, С, ограничена и зависит от теплового потока, свойств жидкости и твердого тела, внешних факторов.The length of the entire heat exchange surface with intensive capillary transport of liquid along the surface, C, is limited and depends on the heat flux, the properties of the liquid and solid, and external factors.

Длина поверхности теплообмена зависит от теплового потока, свойств жидкости и твердого тела, внешних факторов.The length of the heat transfer surface depends on the heat flux, the properties of the liquid and solid, and external factors.

Применение предложенной поверхности будет иметь максимальный эффект в высоконапряженных по тепловым потокам мини- и микросистемах, когда общая длина теплообменной поверхности будет соизмерима с величинами L и С.The application of the proposed surface will have a maximum effect in mini-and microsystems highly stressed by heat fluxes, when the total length of the heat-exchange surface will be comparable with the values of L and C.

Таким образом, работами авторов было подтверждено, что соответствующим выбором структуры микрооребрения поверхности можно повысить производительность различных тонкопленочных испарительных систем охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования.Thus, the authors confirmed that the appropriate choice of the surface microfinishing structure can improve the performance of various thin-film evaporative cooling systems for electronic and microelectronic equipment.

Claims

An intensifying heat-exchange surface for lengthening the dynamic meniscus made with longitudinal triangular micro-ribs, characterized in that on the longitudinal micro-ribs on the sides there are many longitudinal triangular grooves asymmetrically located relative to the plane of the longitudinal section of the ribs, while the micro grooves are made of different widths, and the width of the micro grooves decreases towards the top of the rib.