一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法与流程

本发明涉及莱顿弗罗斯特效应的抑制方法，尤其是涉及一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法。

背景技术：

1、在高温颗粒落入冷却流体中后，由于高温颗粒的表面温度远高于该压力下冷却流体的沸点，在两者接触瞬间，冷却流体剧烈蒸发形成一层蒸汽膜，阻碍了热量的传递，这种现象被称作莱顿弗罗斯特效应。因此，为抑制莱顿弗罗斯特效应对换热的影响，我们期待有一种方法：在高温颗粒与冷却流体接触的过程中，能够抑制颗粒表面蒸汽膜对换热的影响，提高颗粒与冷却流体间的换热效率。

2、在以往的技术中，尚没有高效的可以抑制莱顿佛罗斯特效应的方法，尤其是当颗粒尺寸较小时，受制于外部能量可与颗粒汽膜的作用面积较小、对汽膜形成有效扰动需要的局部应力较大、汽膜产生并干扰换热的时间窗口较短等因素，对抑制莱顿佛罗斯特效应并有效强化换热提出了更高的要求。例如，以往技术中通常采用高速冷却流体冲击蒸汽膜的方法试图抑制莱顿佛罗斯特效应。在高速冷却流体冲击蒸汽膜表面的过程中，由于颗粒与蒸汽膜密度的差异，进而二者在冲击的作用下表现出不同的惯性特征，将颗粒迎风面部分的蒸汽膜引导至颗粒的背风面。在颗粒的迎风面，蒸汽膜的厚度减小，该处的莱顿弗罗斯特效应可以得到抑制，换热得到优化；在颗粒的背风面，蒸汽膜的厚度增加，该处的莱顿弗罗斯特效应反而被增强，换热恶化，因此不能对颗粒实现全面的换热优化，同时在较小颗粒情况下，莱顿佛罗斯特效应时间窗口短，且颗粒与汽膜错位所需的二者速度差大，对于冷却流体的流速提出了极高的要求，不适合工业应用。

3、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明针对上述现存技术中的不足，提供一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法。超声波对于流体有特殊的物理作用机理，一方面通过对高温颗粒表面蒸汽膜直接施加超声波震荡，使蒸汽膜局部厚度减小甚至消失（冷却流体直接接触颗粒），从而强化换热效率；此外，超声还能扰动颗粒附近的微观流场结构，进一步强化换热效率。

2、为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，包括承载冷却流体的冷却池以及布设在冷却池内的超声波发生装置。冷却池尺寸不限，池面积确保高温颗粒可以尽数落入冷却池内，池体积依据高温颗粒的入池速度及质量流量进行设定，确保高温颗粒不会与池内壁触碰。

4、参考例1和参考例2中，所述冷却池内部长600mm，宽600mm，高550mm，冷却池壁面厚度10mm。超声波发生装置外形不限，可选用超声波震板、超声波震棒和其他外形超声波发生装置。

5、参考例1中，采用超声波震板，进一步地，所述超声波震板高460mm，宽370mm，厚100mm。进一步地，所述超声波震板四块，分别通过挂钩悬挂于冷却池四周内壁，挂钩间距离170mm。进一步地，所述冷却池内液面高度不低于超声波震板顶面高度。优选地，冷却池内壁加设冷却流体进口，在冷却流体吸热蒸发后，及时补充流体。超声波发生装置频率在20-80khz内可调，功率满足冷却池内冷却流体和颗粒都处于超声波作用范围，且功率依据颗粒尺寸进行设定。进一步地，对微米级颗粒，功率范围在0-6000w可调，优选地，功率在3000w以上。

6、参考例2中，采用超声波震棒，进一步地，所述超声波震棒高300mm，外径57mm。进一步地，所述超声波震棒布置于冷却池底面或者内壁。优选地，冷却池内壁加设冷却流体进口，在冷却流体吸热蒸发后，及时补充流体。超声波发生装置频率在20-80khz内可调，功率满足冷却池内冷却流体和颗粒都处于超声波作用范围，且功率依据颗粒尺寸进行设定。进一步地，对微米级颗粒，功率范围在0-6000w可调，优选地，功率在3000w以上。

7、本专利未提及的其他外形超声波发生装置，原理上均是利用超声波对流体特有作用机制来破坏高温颗粒表面蒸汽膜，从而强化颗粒与冷却流体间换热的均属本专利保护范围。

8、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

9、一、本发明应用利用了超声波在流体内传播时的特有作用机制，相较于传统技术，对于高温颗粒表面蒸汽膜扰动及破坏更为彻底全面。一方面通过对高温颗粒表面蒸汽膜直接施加超声波震荡，使蒸汽膜局部厚度减小甚至消失（冷却流体直接接触颗粒），从而强化换热效率；此外超声波还能剧烈扰动颗粒附近的微观流场结构，进一步提升强化换热效率。

10、二、本发明应用不受颗粒尺寸限制，尤其在微纳米颗粒领域内有显著效果。当颗粒尺寸较小时，传统技术对莱顿佛罗斯特效应的抑制作用大幅减弱，主要源于对颗粒汽膜物理干涉所需的单位空间能量大、莱顿佛罗斯特效应时间窗口短。本发明基于超声波在流体内传播时的特有物理作用机制，可以在瞬时对颗粒及其表面汽膜物理干涉，把握住抑制莱顿佛罗斯特效应的关键窗口期，同时加载的物理干涉呈现高频特征，单位空间能量较大。在面向微纳米颗粒领域应用时，超声波设备通过合理布设和功率调节，可对冷却池内任意空间位置施加超声作用，剧烈扰乱微纳米级别高温颗粒附近流场结构，并对表面蒸汽膜有显著扰动及破坏作用，进而强化换热，实现对莱顿佛罗斯特效应的抑制。

11、三、本发明方案易于实施，无重大安全隐患。

技术特征：

1.一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于承载冷却流体的冷却池以及布设在冷却池内的超声波发生装置；该超声波发生装置通过振子的高频震动向池内传递超声波，利用超声波对流体特有的物理作用机制破坏高温颗粒表面蒸汽膜，强化颗粒与冷却流体间换热效率。

2.如权利要求1所述的一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于，超声波对流体特有的物理作用机制体现在两方面，一方面通过对高温颗粒表面蒸汽膜直接施加超声波震荡，使蒸汽膜局部厚度减小甚至消失（冷却流体直接接触颗粒），从而强化换热效率；此外，超声还能扰动颗粒附近的微观流场结构，进一步强化换热效率。

3.如权利要求1所述的一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于，包括冷却池（1）和超声波发生装置（2）。

4.如权利要求3所述的一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于：所述冷却池（1）尺寸不限，池面积确保高温颗粒可以尽数落入冷却池内，池体积依据高温颗粒的入池速度及质量流量进行设定，确保高温颗粒不会与池底触碰。

5.如权利要求3所述的一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于：所述超声波发生装置（2）外形不限，可以采用超声波震板，通过挂钩（3）悬挂于冷却池四周内壁，震板向池内冷却流体发射超声波。

6.如权利要求3所述的一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于：所述超声波发生装置（2）外形不限，可以采用超声波震棒，布置于冷却池底面或内壁，震棒向池内冷却流体发射超声波。

7.如权利要求3所述的一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，其特征在于：所述超声波发生装置（2）外形不限，可以采用其他外形的超声波发生装置向冷却池内发射超声波，原理上均是利用超声对流体特有作用机制来破坏高温颗粒表面蒸汽膜，从而强化颗粒与冷却流体换热。

技术总结
本发明提供一种抑制高温颗粒与冷却流体间由于莱顿弗罗斯特效应导致换热恶化的方法，包括冷却池与布设在池内的超声波发生装置。超声波发生装置外形不限，包括超声波震板、超声波震棒以及其他超声波发生装置。与现有技术相比，本发明借助超声波在流体内传播时的特有物理作用机制，一方面通过对高温颗粒表面蒸汽膜直接施加超声波震荡，使蒸汽膜局部厚度减小甚至消失（冷却流体直接接触颗粒），从而强化换热效率；此外超声波还能剧烈扰动颗粒附近的微观流场结构，进一步提升强化换热效率。

技术研发人员：宋桂香
受保护的技术使用者：宋桂香
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1