RU2640888C1 - Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting - Google Patents

Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting Download PDF

Info

Publication number
RU2640888C1
RU2640888C1 RU2016152537A RU2016152537A RU2640888C1 RU 2640888 C1 RU2640888 C1 RU 2640888C1 RU 2016152537 A RU2016152537 A RU 2016152537A RU 2016152537 A RU2016152537 A RU 2016152537A RU 2640888 C1 RU2640888 C1 RU 2640888C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wetting
condensation
gradient
angle
hydrophobic
Prior art date
Application number
RU2016152537A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Александрович Кабов
Игорь Владимирович Марчук
Юрий Вячеславович Люлин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2016152537A priority Critical patent/RU2640888C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2640888C1 publication Critical patent/RU2640888C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

FIELD: heating system.
SUBSTANCE: intensive steam condenser with a contrast and gradient wetting is made in the form of a cooled cylinder, on the outer surface of which alternating transverse annular strips with hydrophobic coating with a gradient wetting angle and strips with hydrophilic coating are applied. Moreover, the wetting angle of the surface with the hydrophobic coating decreases from the line of the maximum value of the wetting angle to the line of the minimum value of the wetting angle.
EFFECT: invention allows to increase the intensity of condensation due to the application of special coatings with gradient wetting, and due to the reduction in the hydraulic resistance during the flow of a two-phase flow along the condensation surface.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области мини- и микросистем, которые используются в энергетике и на транспорте и могут применяться в устройствах для охлаждения электроники. Изобретение относится к области интенсификации теплообмена при конденсации внутри труб и каналов, а также конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара.The invention relates to the field of mini- and microsystems that are used in energy and transport and can be used in devices for cooling electronics. The invention relates to the field of intensification of heat transfer during condensation inside pipes and channels, as well as condensation on surfaces located in the volume of steam.

Существенный прогресс достигнут в методах интенсификации теплообмена при кипении и испарении. В испарителях коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений до 100-300 кВт/(м2⋅K) и выше.Significant progress has been made in methods of intensifying heat transfer during boiling and evaporation. In evaporators, heat transfer coefficients can reach values up to 100-300 kW / (m 2 ⋅K) and higher.

В то же время в методах интенсификации теплообмена при конденсации пара достигнут существенно меньший прогресс. Для интенсификации теплообмена при пленочной конденсации применяют различные способы, например увеличение скорости пара или оребрение поверхности теплообмена. Например, при внутритрубной конденсации с интенсификаторами в виде продольных ребер средние коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений порядка 10 кВт/(м2⋅K), примерно на порядок меньше. Как следствие, конденсатор пара является наиболее крупной частью мини- и микросистем и может на порядок, а в некоторых случаях на два порядка превосходить испарительную часть по массе и габаритам.At the same time, much less progress has been achieved in heat transfer intensification methods during steam condensation. Various methods are used to intensify heat transfer during film condensation, for example, increasing the steam velocity or finning the heat transfer surface. For example, in the case of in-pipe condensation with intensifiers in the form of longitudinal ribs, the average heat transfer coefficients can reach values of the order of 10 kW / (m 2 ⋅ K), approximately an order of magnitude less. As a result, the steam condenser is the largest part of mini- and microsystems and can be an order of magnitude, and in some cases two orders of magnitude, superior to the evaporation part in mass and dimensions.

Весьма эффективным является такой способ интенсификации теплообмена, как использование гидрофобизаторов для перехода от пленочного режима конденсации к капельному. Капельная конденсация имеет место на твердых поверхностях со сравнительно низкой поверхностной энергией. Для создания таких поверхностей применяют различные технологии нанесения или ионного легирования, например методы химического, электрохимического осаждения, выпара плазмы и другие. Для получения капельной конденсации применяют тонкослойные органические соединения или полимерные покрытия с низкой поверхностной энергией, алмазоподобные или ионно-легированные покрытия на основе алюминия и меди, наноразмерные структуры и другие.Very effective is such a method of intensifying heat transfer as the use of water repellents for the transition from the film mode of condensation to drip. Drip condensation occurs on solid surfaces with relatively low surface energy. To create such surfaces, various deposition or ion doping technologies are used, for example, chemical, electrochemical deposition, plasma evaporation methods and others. To obtain drop condensation, thin-layer organic compounds or polymer coatings with low surface energy, diamond-like or ion-doped coatings based on aluminum and copper, nanoscale structures and others are used.

Однако капельный режим конденсации не удается поддерживать в течение длительного времени ввиду засорения или разрушения гидрофобных покрытий. Это ограничивает практическое применение капельной конденсации, интенсивность теплообмена которой в 15-20 раз выше, чем при пленочной конденсации.However, the drip mode of condensation cannot be maintained for a long time due to clogging or destruction of hydrophobic coatings. This limits the practical application of drip condensation, the heat transfer rate of which is 15–20 times higher than with film condensation.

Из области техники известно использование гидрофобных поверхностей для интенсификации теплообмена при кипении.It is known in the art to use hydrophobic surfaces to enhance heat transfer during boiling.

Известен способ интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности [патент РФ №2542253, 18.03.2013, B05D 1/00, F28F 13/00], при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей, расположенных в шахматном порядке.A known method of intensification of heat transfer during boiling on a smooth surface [RF patent No. 2542253, 03/18/2013, B05D 1/00, F28F 13/00], in which to ensure the intensification of heat transfer during boiling on a smooth cooled surface form many hydrophobic areas located in a checkerboard pattern okay.

Известен способ изготовления системы охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования [патент РФ №2581342, 06.06.2014, F15D 1/02, В82 В 3/00, B82Y 40/00], включающий нанесение на поверхность микроканала наноструктурных областей с гидрофобными свойствами в виде полос поперек течения однофазного или двухфазного потока охлаждающей жидкости.A known method of manufacturing a cooling system of electronic and microelectronic equipment [RF patent No. 2581342, 06/06/2014, F15D 1/02, B82 B 3/00, B82Y 40/00], including applying to the surface of the microchannel nanostructured regions with hydrophobic properties in the form of strips across single-phase or two-phase coolant flow.

Известно устройство для формирования ручейкового течения жидкости в плоском микро- или мини-канале [патент РФ №2588917, 15.12.2014, F28C 3/06, F28D 5/02, F28F 13/18, H05K 7/20, H01L 23/44], в котором на поверхность подложки вдоль канала с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента нанесено гидрофобное нанопокрытие, что позволяет существенно снизить гидравлическое сопротивление стенок и теплоносителя.A device is known for forming a brook fluid flow in a flat micro- or mini-channel [RF patent No. 2588917, 12/15/2014, F28C 3/06, F28D 5/02, F28F 13/18, H05K 7/20, H01L 23/44] in which a hydrophobic nanocoating is deposited on the surface of the substrate along the channel on both sides of the electronic fuel element, which can significantly reduce the hydraulic resistance of the walls and coolant.

Все указанные технические решения предназначены для интенсификации теплообмена в испарителях.All these technical solutions are designed to intensify heat transfer in evaporators.

Для интенсификации теплообмена в системах охлаждения, находящих практическое применение, используют в основном оребрение различной формы, поверхностной упорядоченной и неупорядоченной шероховатости, частичную перфорацию и многое другое.For the intensification of heat transfer in cooling systems that are in practical use, finned ribs of various shapes, surface ordered and disordered roughness, partial perforation, and much more are used.

Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в статье [Kabov O.A., Marchuk I.V. and Legros J-C. Conjugated heat transfer at flow condensation in minichannel with longitudinal fins, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, N.Y., ASME, NewYork, pp. 641-648 (2004)] и широко используется рядом промышленных компаний (например, EuroHeatPipe S.A.). В статье исследуется конденсация в цилиндрическом охлаждаемом конденсаторе (внутритрубный конденсатор) с продольными ребрами различной формы и размера. Рассмотрены ребра двух типов: трапециевидные с закругленными вершинами и ребра, имеющие форму кривых параметрического семейства Адамека (Adamek's parametrical family). Ребра располагаются равномерно по периметру. Характерная высота и шаг ребер зависят от конкретных приложений. Ребра существенно увеличивают поверхность конденсации, а также способствуют неоднородному распределению жидкости по периметру трубы, в том числе и за счет действия капиллярных сил. Конденсаторы такого типа используют как в земных условиях, так и в условиях микрогравитации (тепловые трубы, контурные тепловые трубы).The closest technical solution, which can be considered as a prototype, is described in the article [Kabov O.A., Marchuk I.V. and Legros J-C. Conjugated heat transfer at flow condensation in minichannel with longitudinal fins, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, N.Y., ASME, NewYork, pp. 641-648 (2004)] and is widely used by a number of industrial companies (eg, EuroHeatPipe S.A.). The article investigates condensation in a cylindrical cooled condenser (in-tube condenser) with longitudinal ribs of various shapes and sizes. Ribs of two types are considered: trapezoidal with rounded vertices and ribs having the shape of curves of the Adamek's parametric family (Adamek's parametrical family). The ribs are evenly spaced around the perimeter. The characteristic height and pitch of the ribs are application specific. The ribs significantly increase the condensation surface, and also contribute to the inhomogeneous distribution of the liquid around the perimeter of the pipe, including due to the action of capillary forces. Capacitors of this type are used both in terrestrial conditions and in microgravity (heat pipes, loop heat pipes).

Недостатки описанной выше конструкцииThe disadvantages of the design described above

1. Производство ребер требует существенной деформации стенок труб и поверхностей. Это касается как случая конденсации внутри труб и каналов, так и конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара, например кожухотрубных теплообменников с пакетами горизонтальных труб. В целом это ведет к увеличению металлоемкости конденсатора и повышению его веса.1. The production of ribs requires a significant deformation of the walls of the pipes and surfaces. This applies both to the case of condensation inside the pipes and channels, and condensation on surfaces located in the volume of steam, for example shell-and-tube heat exchangers with packages of horizontal pipes. In general, this leads to an increase in the metal consumption of the capacitor and an increase in its weight.

2. При фиксированном внутреннем диаметре трубы или канала ребра значительно сокращают проходное сечение для двухфазного потока, что может значительно повышать гидравлическое сопротивление канала. При фиксированном внешнем диаметре трубы при конденсации на поверхностях, расположенных в объеме пара, ребра увеличивают внешний диаметр, что может быть недопустимо с точки зрения технологии сборки аппарата. Существуют технологии изготовления ребер за счет снижения внутреннего диаметра труб, но это ведет к повышению гидравлического сопротивления. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности конденсатора путем увеличения интенсивности конденсации за счет использования специальных покрытий с градиентным смачиванием и снижения гидравлического сопротивления при течении двухфазного потока вдоль поверхности конденсации. Задачей заявляемого изобретения является также снижение веса и металлоемкости конструкции.2. With a fixed inner diameter of the pipe or channel, the ribs significantly reduce the bore for the two-phase flow, which can significantly increase the hydraulic resistance of the channel. With a fixed external diameter of the pipe during condensation on surfaces located in the volume of steam, the ribs increase the external diameter, which may be unacceptable from the point of view of the assembly technology of the apparatus. There are technologies for manufacturing ribs by reducing the inner diameter of the pipes, but this leads to an increase in hydraulic resistance. The objective of the invention is to increase the efficiency of the condenser by increasing the condensation intensity due to the use of special coatings with gradient wetting and reducing hydraulic resistance during a two-phase flow along the condensation surface. The objective of the invention is also to reduce the weight and metal structure.

Поставленная задача решается за счет нового конструктивного исполнения конденсатора пара, позволяющего создать устойчивый пленочно-капельный режим конденсации.The problem is solved due to the new design of the steam condenser, which allows you to create a stable film-drop condensation mode.

Поставленная задача решается тем, что в интенсивном конденсаторе пара с контрастным и градиентным смачиванием, выполненном в форме охлаждаемого цилиндра со структурированной поверхностью, согласно изобретению на внешнюю поверхность цилиндра нанесено нано- или микропокрытие. Покрытие нанесено таким образом, что поперечные кольцевые полосы гидрофобного покрытия с градиентным углом смачивания чередуются с кольцевыми поперечными полосами гидрофильного покрытия, а угол смачивания поверхности с гидрофобным покрытием уменьшается от линии максимального значения угла смачивания к линии минимального значения угла смачивания таким образом, что движение микрокапель по поверхности с гидрофобным покрытием происходит в направлении перпендикулярном основному течению конденсата по поверхности с гидрофильным покрытием.The problem is solved in that in an intensive condenser of steam with contrast and gradient wetting, made in the form of a cooled cylinder with a structured surface, according to the invention, a nano- or microcoating is applied to the outer surface of the cylinder. The coating is applied in such a way that the transverse annular bands of the hydrophobic coating with the gradient wetting angle alternate with the annular transverse stripes of the hydrophilic coating, and the wetting angle of the surface with the hydrophobic coating decreases from the line of the maximum value of the contact angle to the line of the minimum value of the contact angle so that the droplets move along a surface with a hydrophobic coating occurs in a direction perpendicular to the main flow of condensate over a surface with a hydrophilic coating iem.

Сущность технического решения поясняется чертежами.The essence of the technical solution is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показано поперечное сечение трубы (канала конденсатора).In FIG. 1 shows a cross section of a pipe (condenser channel).

На фиг. 2 показаны вид сбоку и схема движения жидкости на предложенной поверхности.In FIG. 2 shows a side view and a diagram of fluid movement on the proposed surface.

На фиг. 3 показана схема движения микрокапель конденсата по поверхности с градиентом смачивания.In FIG. 3 shows a diagram of the movement of condensate droplets on a surface with a wetting gradient.

Где 1 - труба (стенка трубы); 2 - пар; 3 - ручеек конденсата; 4 - поверхность с гидрофильным покрытием; 5 - поверхность с гидрофобным покрытием с градиентным смачиванием; 6 - микрокапли конденсата; 7 - направление движения микрокапель на гидрофобной поверхности; 8 - направление течения ручейков конденсата; 9 - линия максимального значения угла смачивания; 10 - направление градиента смачивания; 11 - охлаждающая жидкость; 12 - конденсат жидкости в нижней части трубы; 13 - линия минимального значения угла смачивания; g - направление действия силы тяжести; F - сила, действующая на каплю на поверхности с градиентом угла смачивания; F1, F2 - результирующие силы поверхностного натяжения; σ1, σ2 - поверхностное натяжение с максимальными и минимальным значением угла смачивания; θ1, θ2 - максимальный и минимальный угол смачивания.Where 1 is the pipe (pipe wall); 2 - steam; 3 - a stream of condensate; 4 - surface with a hydrophilic coating; 5 - surface with a hydrophobic coating with gradient wetting; 6 - microdrops of condensate; 7 - direction of movement of droplets on a hydrophobic surface; 8 - direction of flow of condensate streams; 9 - line of the maximum value of the wetting angle; 10 - direction of the wetting gradient; 11 - cooling liquid; 12 - liquid condensate in the lower part of the pipe; 13 - line of the minimum value of the wetting angle; g is the direction of gravity; F is the force acting on the drop on the surface with a gradient of the wetting angle; F 1 , F 2 - the resulting surface tension forces; σ 1 , σ 2 - surface tension with maximum and minimum values of the wetting angle; θ 1 , θ 2 - the maximum and minimum wetting angle.

Конденсатор состоит из трубы 1, по которой циркулирует охлаждающая жидкость 11, расположенной внутри кожуха (не показано). Конденсация хладагента происходит между трубой и кожухом, т.е. на внешней поверхности трубы.The condenser consists of a pipe 1, through which coolant 11 circulates, located inside the casing (not shown). Refrigerant condensation occurs between the pipe and the casing, i.e. on the outside of the pipe.

Вдоль внешней поверхности трубы в виде поперечных полос нанесено специальное покрытие так, что образуется множество кольцевых полос с гидрофобной поверхностью 5 с контрастным и градиентным смачиванием, которые чередуются с кольцевыми полосами с гидрофильной поверхностью 4, как показано на фиг. 2.A special coating is applied along the outer surface of the pipe in the form of transverse strips so that a plurality of annular strips with a hydrophobic surface 5 with contrast and gradient wetting are formed, which alternate with annular strips with a hydrophilic surface 4, as shown in FIG. 2.

На поверхности с гидрофобным покрытием имеет место неоднородный контактный угол смачивания. Угол смачивания уменьшается от линии максимального значения угла смачивания 9 (центра гидрофобной полосы) к линии минимального значения угла смачивания 13 (периферии), т.е. в сторону поверхности с гидрофильным покрытием, как показано на фиг. 2.On the surface with a hydrophobic coating, a non-uniform contact wetting angle takes place. The wetting angle decreases from the line of the maximum value of the contact angle 9 (center of the hydrophobic strip) to the line of the minimum value of the contact angle 13 (periphery), i.e. toward a hydrophilic coated surface as shown in FIG. 2.

В настоящее время существует достаточно много технологий для производства поверхностей со специальным молекулярным покрытием и с контрастным и градиентным смачиванием [W. Choi, A. Tuteja, J.М. Mabry, R.Е. Cohen, G.H. McKinley. A modified cassie-baxter relationship to explain contact angle hysteresis and anisotropy on non-wetting textured surfaces, J. Colloid Interface Sci. 339 (2009) 208-216; A. Dubov, A. Mourran, M. Moeller, O. Vinogradova. Contact angle hysteresis on superhydrophobic stripes, J. Chem. Phys. 141 (2014) 074710; N. Guillot, M. Chapelle. Lithographied nanostructures as nanosensors, Journal of Nanophotonics, Vol. 6, (2012) 064506 (28pp); H. Lan, Y. Ding, 2012. Ordering, positioning and uniformity of quantumdot arrays. NanoToday 7 94 123; Biswas A, Bayer IS, Biris AS, Wang T, Dervishi E, Faupel F (2012). Advances in top-downand bottom-upsur face nanofabrication: techniques, applications and future prospects. AdvColloid Interface Sci 170(1-2): 2-27].Currently, there are many technologies for the production of surfaces with a special molecular coating and with contrast and gradient wetting [W. Choi, A. Tuteja, J.M. Mabry, R.E. Cohen, G.H. McKinley. A modified cassie-baxter relationship to explain contact angle hysteresis and anisotropy on non-wetting textured surfaces, J. Colloid Interface Sci. 339 (2009) 208-216; A. Dubov, A. Mourran, M. Moeller, O. Vinogradova. Contact angle hysteresis on superhydrophobic stripes, J. Chem. Phys. 141 (2014) 074710; N. Guillot, M. Chapelle. Lithographied nanostructures as nanosensors, Journal of Nanophotonics, Vol. 6, (2012) 064506 (28pp); H. Lan, Y. Ding, 2012. Ordering, positioning and uniformity of quantumdot arrays. NanoToday 7 94 123; Biswas A, Bayer IS, Biris AS, Wang T, Dervishi E, Faupel F (2012). Advances in top-downand bottom-upsur face nanofabrication: techniques, applications and future prospects. AdvColloid Interface Sci 170 (1-2): 2-27].

Покрытия можно получать, например, путем обработки поверхности химическим способом (нанесением монослоя молекул другого вещества) так, чтобы на поверхности появилась область с наноразмерной шероховатостью и более высоким значением контактного угла смачивания.Coatings can be obtained, for example, by treating the surface with a chemical method (applying a monolayer of molecules of another substance) so that a region with a nanoscale roughness and a higher contact angle of contact appears on the surface.

Толщина структур зависит от типа поверхности и не влияет заметным образом на термическое сопротивление. Необходимо отметить, что толщина покрытий может составлять порядка десятков нанометров или несколько микрометров, т.е. покрытие практически не сокращает проходное сечение для двухфазного потока и не увеличивает внешнего диаметра труб.The thickness of the structures depends on the type of surface and does not significantly affect the thermal resistance. It should be noted that the thickness of the coatings can be on the order of tens of nanometers or several micrometers, i.e. the coating practically does not reduce the bore for the two-phase flow and does not increase the outer diameter of the pipes.

В зонах с гидрофильным покрытием, где происходит полная смачиваемость поверхности, осуществляется пленочная конденсация, а в зонах с гидрофобным покрытием осуществляется капельная конденсация.In zones with a hydrophilic coating, where the surface is completely wettable, film condensation occurs, and in zones with a hydrophobic coating, droplet condensation occurs.

Устройство работает следующим образом. Охлаждающая жидкость 11 прокачивается по трубе, пар 2 - по межтрубному пространству (между трубой и кожухом конденсатора). Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность трубы.The device operates as follows. Coolant 11 is pumped through the pipe, steam 2 - through the annular space (between the pipe and the condenser casing). Heat is transferred from one coolant to another through the surface of the pipe.

На поверхностях с гидрофобным покрытием 5 реализуется капельная конденсация с очень высокой интенсивностью теплообмена, что подтверждается в ряде работ [Hu, H.W., Tang, G.H., Niu, D. Experimental investigation of condensation heat transfer on hybrid wettability finned tube with large amount of noncondensable gas. (2015) International Journal of Heat and Mass Transfer, 85, pp. 513-523; Mahapatra, P.S., Ghosh, A., Ganguly, R., Megaridis, C.M. Keydesign and operating parameters for enhancing drop wisecondensation through wettability patterning (2016) International Journal of Heat and MassTransfer, 92, pp. 877-883; K. Rykaczewski, A.T. Paxson, M. Staymates, M.L. Walker, X. Sun, S. Anand, S. Srinivasan, G.H. McKinley, J. Chinn, J.H. Scott, K.K. Varanasi. "Drop wise condensation о flow surface tension fluids on omniphobic surfaces," SciRep. Mar 5, 4: 4158, Nature (2014); Richard W. Bonner III. "Dropwise condensation on surfaces with graded hydrophobicity," ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference collocated with the Inter PACK09 and 3rd Energy Sustainability Conferences, Paper No. HT2009-88516, pp. 491-495, (2009); NenadMiljkovic, Ryan Enright, Youngsuk et al. Jumping-Droplet-Enhanced Condensation on Scalable Superhydrophobic Nanostructured Surfaces // Nano Lett., 13 (1), 2013. pp. 179-187].On surfaces with a hydrophobic coating 5, droplet condensation with a very high heat transfer rate is realized, which is confirmed in a number of works [Hu, HW, Tang, GH, Niu, D. Experimental investigation of condensation heat transfer on hybrid wettability finned tube with large amount of noncondensable gas . (2015) International Journal of Heat and Mass Transfer, 85, pp. 513-523; Mahapatra, P.S., Ghosh, A., Ganguly, R., Megaridis, C.M. Keydesign and operating parameters for enhancing drop wisecondensation through wettability patterning (2016) International Journal of Heat and MassTransfer, 92, pp. 877-883; K. Rykaczewski, A.T. Paxson, M. Staymates, M.L. Walker, X. Sun, S. Anand, S. Srinivasan, G.H. McKinley, J. Chinn, J.H. Scott, K.K. Varanasi. "Drop wise condensation about flow surface tension fluids on omniphobic surfaces," SciRep. Mar 5, 4: 4158, Nature (2014); Richard W. Bonner III. "Dropwise condensation on surfaces with graded hydrophobicity," ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference collocated with the Inter PACK09 and 3rd Energy Sustainability Conferences, Paper No. HT2009-88516, pp. 491-495, (2009); Nenad Miljkovic, Ryan Enright, Youngsuk et al. Jumping-Droplet-Enhanced Condensation on Scalable Superhydrophobic Nanostructured Surfaces // Nano Lett., 13 (1), 2013. pp. 179-187].

По поверхностям с гидрофильным покрытием 4 происходит транспорт жидкости.On surfaces with a hydrophilic coating 4, liquid transport occurs.

При реализации капельной конденсации поверхность с гидрофобным покрытием покрыта микрокаплями конденсата. Поверхность между микрокаплями покрыта ультратонкой пленкой конденсата, имеющей очень малое термическое сопротивление.When droplet condensation is realized, the surface with a hydrophobic coating is covered with microdrops of condensate. The surface between the microdroplets is covered with an ultrathin condensate film having a very low thermal resistance.

Полоса поверхности с гидрофобным покрытием имеет две области, расположенные с обеих сторон от линии максимального значения угла смачивания 9, которая также является осью симметрии полосы. В каждой области имеет место неоднородный контактный угол смачивания, уменьшающийся в направлении к соседней полосе с гидрофильной поверхностью.The hydrophobic coated surface strip has two regions located on both sides of the line of maximum contact angle 9, which is also the axis of symmetry of the strip. In each region there is an inhomogeneous contact wetting angle, decreasing towards the adjacent strip with a hydrophilic surface.

Характер движения капли от линии максимального значения угла смачивания (центра гидрофобной поверхности) к линии минимального значения угла смачивания (периферии) определяется свойствами жидкости, свойствами подложки, коэффициентом поверхностного натяжения, размером капли, углом смачивания и градиентом угла смачивания в поперечном направлении гидрофобной поверхности. В областях с максимальным и минимальным углами смачивания (θ1, θ2) по касательным к поверхности жидкости действуют силы поверхностного натяжения, σ1, σ2. Результирующие силы поверхностного натяжения, F1, F2, действующие на гидрофобной поверхности, зависят от проекции сил поверхностного натяжения, σ1, σ2. Значение силы, действующей на каплю на поверхности с градиентом угла смачивания, определяется из соотношения F=F1-F2, и чем больше разница углов θ1, θ2, тем больше значение движущей каплю силы F. Таким образом, вследствие градиентного контактного угла смачивания по периметру микрокапли конденсата 6 возникает градиент смачивания 10, который двигает микрокапли конденсата по направлению 7 к гидрофильной поверхности, что обеспечивает существенную интенсификацию капельной конденсации, фиг. 3. Достигнув края гидрофильной поверхности микрокапли сливаются с ручейком конденсата 3 и стекают с трубы в направлении 8. Транспорт конденсата происходит за счет силы тяжести, фиг. 3.The nature of the droplet movement from the line of the maximum value of the angle of contact (center of the hydrophobic surface) to the line of the minimum value of the angle of contact (periphery) is determined by the properties of the liquid, the properties of the substrate, the coefficient of surface tension, the size of the drop, the angle of contact, and the gradient of the angle of contact in the transverse direction of the hydrophobic surface. In areas with maximum and minimum contact angles (θ 1 , θ 2 ), surface tension forces, σ 1 , σ 2 , act tangential to the surface of the liquid. The resulting surface tension forces, F 1 , F 2 acting on a hydrophobic surface, depend on the projection of the surface tension forces, σ 1 , σ 2 . The value of the force acting on a drop on a surface with a gradient of the wetting angle is determined from the relation F = F 1 -F 2 , and the larger the difference in the angles θ 1 , θ 2 , the greater the value of the force driving the drop F. Thus, due to the gradient contact angle wetting along the perimeter of the microdrops of condensate 6 there is a wetting gradient 10, which moves the microdrops of condensate in the direction 7 to the hydrophilic surface, which provides a significant intensification of droplet condensation, FIG. 3. Having reached the edge of the hydrophilic surface, the microdrops merge with the condensate stream 3 and flow down the pipe in direction 8. The condensate is transported by gravity, FIG. 3.

Важно отметить, что движение микрокапель происходит в направлении, перпендикулярном основному течению 12 конденсата жидкости и пара, что приводит к минимально возможным размерам капель.It is important to note that the movement of microdroplets occurs in a direction perpendicular to the main stream 12 of liquid and vapor condensate, which leads to the smallest possible droplet size.

Предложенный конденсатор пара может быть выполнен не только из высокотеплопроводных материалов, но и из широкого спектра других материалов, например стекла, пластика, кристаллического кремния и др. Данный факт позволяет использовать предложенный конденсатор пара в различного рода мини- и микросистемах в химической, фармацевтической и пищевой промышленности.The proposed steam condenser can be made not only of highly thermally conductive materials, but also from a wide range of other materials, such as glass, plastic, crystalline silicon, etc. This fact allows us to use the proposed steam condenser in various kinds of mini- and microsystems in chemical, pharmaceutical and food industry.

Регулировка мощности конденсатора пара осуществляется простой регулировкой температуры стенки конденсатора, длиной поверхности, размером трубы.Steam condenser power adjustment is carried out by simple adjustment of the condenser wall temperature, surface length, pipe size.

Устройство может работать в условиях нормальной гравитации и микрогравитации. В условиях микрогравитации ориентация устройства может быть произвольной. В условиях нормальной гравитации рекомендуется положение устройства, когда ось трубы конденсатора пара перпендикулярна направлению вектора силы тяжести. При этом будет достигаться максимальная интенсивность конденсации.The device can operate in normal gravity and microgravity. In microgravity conditions, the orientation of the device can be arbitrary. Under normal gravity conditions, the device position is recommended when the axis of the steam condenser pipe is perpendicular to the direction of the gravity vector. In this case, the maximum condensation intensity will be achieved.

Известно, что в условиях микрогравитации длина гладкотрубных конденсаторов должна быть в 2-3 раза больше, чем в земных приложениях. Это связано с реализацией кольцевого режима течения и делает неэффективным использование легких тонкостенных гладких труб в космических приложениях. Изобретение позволяет получить высокую интенсивность теплообмена при кольцевом режиме течения и существенно повысить эффективность конденсации в космосе.It is known that under microgravity conditions the length of smooth-tube capacitors should be 2-3 times longer than in terrestrial applications. This is due to the implementation of the annular flow regime and makes the use of light thin-walled smooth pipes in space applications inefficient. EFFECT: invention allows to obtain high heat transfer intensity in an annular flow regime and significantly increase the efficiency of condensation in space.

Claims (1)

Интенсивный конденсатор пара с контрастным и градиентным смачиванием, выполненный в форме охлаждаемого цилиндра со структурированной поверхностью, отличающийся тем, что на внешнюю поверхность цилиндра нанесено нано- или микропокрытие таким образом, что поперечные кольцевые полосы с гидрофобным покрытием с градиентным углом смачивания чередуются с кольцевыми поперечными полосами с гидрофильным покрытием, а угол смачивания поверхности с гидрофобным покрытием уменьшается от линии максимального значения угла смачивания к линии минимального значения угла смачивания так, что движение микрокапель по поверхности с гидрофобным покрытием происходит в направлении, перпендикулярном основному течению конденсата по поверхности с гидрофильным покрытием.Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting, made in the form of a cooled cylinder with a structured surface, characterized in that a nano- or microcoating is applied to the outer surface of the cylinder so that the transverse annular bands with a hydrophobic coating with a gradient angle of wetting alternate with annular transverse stripes with a hydrophilic coating, and the wetting angle of the surface with a hydrophobic coating decreases from the line of the maximum value of the contact angle to the line of the minimum value of the wetting angle so that the movement of microdrops on the surface with a hydrophobic coating occurs in a direction perpendicular to the main flow of condensate on the surface with a hydrophilic coating.
RU2016152537A 2016-12-30 2016-12-30 Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting RU2640888C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016152537A RU2640888C1 (en) 2016-12-30 2016-12-30 Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016152537A RU2640888C1 (en) 2016-12-30 2016-12-30 Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2640888C1 true RU2640888C1 (en) 2018-01-12

Family

ID=68235585

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016152537A RU2640888C1 (en) 2016-12-30 2016-12-30 Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2640888C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4101901A1 (en) * 2021-06-07 2022-12-14 Technicka univerzita v Liberci Surface structure of a body and a method of manufacturing such a surface structure
CN115875760A (en) * 2022-12-10 2023-03-31 丽水学院 Device for rapidly dehumidifying by using folding fan structure

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8842435B2 (en) * 2012-05-15 2014-09-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Two-phase heat transfer assemblies and power electronics incorporating the same
RU2581342C2 (en) * 2014-06-06 2016-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Method for producing a cooling system and microelectronic equipment
RU2588917C1 (en) * 2014-12-15 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions)

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8842435B2 (en) * 2012-05-15 2014-09-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Two-phase heat transfer assemblies and power electronics incorporating the same
RU2581342C2 (en) * 2014-06-06 2016-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Method for producing a cooling system and microelectronic equipment
RU2588917C1 (en) * 2014-12-15 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
O.A. KABOV, I.V. MARCHUK and J.C. LEGROS. CONJUGATED HEAT TRANSFER AT FLOW CONDENSATION IN MINICHANNEL WITH LONGITUDINAL FINS, ASME 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels, Rochester, New York, USA, June 17-19, 2004, pp. 641-648. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4101901A1 (en) * 2021-06-07 2022-12-14 Technicka univerzita v Liberci Surface structure of a body and a method of manufacturing such a surface structure
CN115875760A (en) * 2022-12-10 2023-03-31 丽水学院 Device for rapidly dehumidifying by using folding fan structure
CN115875760B (en) * 2022-12-10 2024-06-04 丽水学院 Device for carrying out rapid dehumidification by utilizing folding fan structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
El Fil et al. A review of dropwise condensation: Theory, modeling, experiments, and applications
Lu et al. Superhydrophobic Si nanowires for enhanced condensation heat transfer
US8716689B2 (en) Thermal diode device and methods
Riofrío et al. State of the art of efficient pumped two-phase flow cooling technologies
RU2640888C1 (en) Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting
JP6538651B2 (en) Functional coatings to improve condenser performance
Peng et al. Influence of groove orientation on dropwise condensation on hydrophobic and hierarchical superhydrophobic surfaces with microgroove arrays
Das et al. Enhancement of nucleate pool boiling heat transfer on titanium oxide thin film surface
CN111059940B (en) Low-resistance enhanced heat transfer layout structure based on nanometer super-wetting interface
Jo et al. Supersonically sprayed, triangular copper lines for pool boiling enhancement
Ding et al. Investigation on R141b convective condensation in microchannel with low surface energy coating and hierarchical nanostructures surface
US20120160457A1 (en) Compound heat pipe, method of manufacturing the same, heat exchanger and heat exchanger system using the same
Yongping et al. Thermal characteristics of heat pipe with axially swallow-tailed microgrooves
CA2139041A1 (en) Heat exchanger pipe with installation element
Das et al. Experimental study of nucleate pool boiling heat transfer using water on thin-film surface
BR112020001450A2 (en) heat exchange element, method for transferring heat to or from a fluid, and process for producing a heat exchange element
Panuthara et al. Experimental investigation of condensation heat transfer on chlorotriethylsilane coated grooved vertical tube
Seok et al. Thermal-hydraulic performance enhancement of fin-and-tube heat exchangers using carbon nanotube coatings under dry and wet conditions
Rahman et al. Nucleate boiling on biotemplated nanostructured surfaces
Chong et al. Deposition of nano-scale polymer film on micro-fins to enhance the film-wise condensation of very low surface tension substances
Das et al. Enhancement of nucleate pool boiling heat transfer on silicon oxide thin film surface
KR101510304B1 (en) Hybrid heat conductable pin with hydrophilic and hydrophobic characteristics and method thereof
Saha et al. Two-phase heat transfer enhancement
JP2013120044A (en) Fin tube heat exchanger and method for manufacturing same
Liu et al. Low-pressure steam dropwise condensation on durable PFA-coated horizontal tube: Droplet dynamics in active region

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190515

Effective date: 20190515

QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20201224