Электроконвективный теплообменник с наноструктурированными электродами и способ управления процессом электроконвекции

Изобретение относится к области электрогидро- и газодинамики, в частности к созданию высокоэффективных электроконвективных теплообменников. В электроконвективном теплообменнике применены электродные системы со специально заданными регулярными и упорядоченными наномасштабными структурами. Наноструктурированные металлические электроды для электроконвекции обеспечивают интенсивную инжекцию зарядов, обусловленную высокими аспектными соотношениями и плотностью зарядообразующих элементов, их регулярностью расположения и уменьшением расстояния между анодом и катодом, что создает развитую электроконвекцию. Технический результат - повышение эффективности работы теплообменных устройств с существенным снижением энергопотребления. 2 н.п. ф-лы., 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области создания электрогазо- и гидродинамических высокоэффективных электроконвективных теплообменников.

Одним из наиболее близких по технической сущности, применительно к электроконвективным теплообменникам на жидких и газообразных средах, является теплообменник [1], в котором газообразная среда турбулизируется электрическим полем в каналах, на входах в которые имеются металлические теплообменные решетчатые элементы, расположенные на заданном расстоянии, пропорциональном размеру канала - h: ((0.1-0.2)h), в виде системы электродных решеток с заданным шагом - d: ((1.1-1.3)d), соединенных с источником высокого напряжения.

К недостаткам данной конструкции теплообменника относится высокое значение питающего электроконвекцию напряжения (50 кВ/см); отрицательное взаимовлияние как последовательно включенных теплообменных секций, так и случайной микроструктуры поверхности электродов, вызывающей неоднозначность процесса зарядообразования; установление эффективного режима работы теплообменника сильно зависит от выбираемого шага между электродами решетки и расстояния от самой решетки до теплоотдающей поверхности, что не позволяет управлять электроконвекцией.

В [2] предлагается секционное устройство типа «труба в трубе», внутренняя труба которого является электродинамическим насосом для прокачки промежуточного теплоносителя, и способ управления электрическими полями и термостабилизированное регулирование теплопередачи между жидким и газообразным теплоносителями.

Недостатками данного устройства и способа работы данного электроконвективного теплообменника являются периодическое диспергирование (с помощью дополнительного диспергатора), циркуляция промежуточного теплоносителя вдоль контактирующей с газовой средой поверхности, применение дегазированной диэлектрической жидкости (для устранения влияния сил тяжести на электроконвекцию), чрезмерная сложность конструкции, жесткие требования по качеству и свойствам применяемого теплоносителя.

Технической задачей является устранение выявленных недостатков прототипов, а именно понижение питающего электроконвенцию напряжения, уменьшение отрицательного взаимовлияния последовательно включенных теплообменных секций, упрощение как конструкции, так и способа управления устойчивым режимом электроконвекционного теплообмена.

Поставленная задача достигается тем, что электроконвективный теплообменник с наноструктурированными электродами имеет включенные последовательно-параллельно электроды с регулярной и упорядоченной наноструктурированной поверхностью (эмиттеры и коллекторы) из разных металлов, попарно подобранных с учетом уровней энергии выхода электронов для анодных и катодных пластин (с низким для катода (эмиттер) и высоким для анода (коллектор) или наоборот) в зависимости от применяемой рабочей жидкости, обладающие наноструктурированными специально созданными поверхностями, имеющими высокую плотность наноструктурных элементов 10⁹-10¹¹ см^-2 с аспектным соотношением не менее 10.

Способ управления процессом электроконвекции заключается в том, что применяют электроды с регулярной и упорядоченной наноструктурированной поверхностью и инициируют действие каппилярных сил при расстояниях между анодом и катодом в пределах 20-200 мкм.

На фиг.1 представлены наноразмерные упорядоченные образования для вольфрама, на фиг.2 представлены наноразмерные упорядоченные образования для меди: 2а - зарядообразующие заостренные структуры, 2б - коллекторные плоские.

На фиг.3 показаны модельные мелкомасштабные электроды: фиг.3а - одиночная модельная структура, 3б - периодическая модельная структура. На фиг.4 представлен макетный образец электроконвективного теплообменника. На фиг.5 изображена схема электроконвективного теплообменника с наноструктурированными электродами.

Сопоставительным анализом с прототипами установлено отличие заявляемых наноструктурированных электродов, обеспечивающих интенсивную электроконвекцию, которая сопровождается переходом к наномасштабному структурированию потоков между эмитирующими и коллекторными электродами, когда конфигурация создаваемых ими электрических полей не требует использования деионизатора, так как регулярные и упорядоченные структуры с наномасштабными размерами вызывают управляемую инжекцию зарядов. Высокая эффективность процесса обусловлена высоким аспектным соотношением и плотностью наноструктурных элементов. Уменьшение расстояния между анодом и катодом в электроконвективных теплообменниках инициирует действие капиллярных сил, сильно снижает энергопотребление и величину прикладываемых напряжений.

Предлагается для реализации изобретения использовать топологические особенности специально созданных поверхностей эмиттеров и коллекторов из разных металлов, попарно подобранных с различающимися уровнями энергии выхода электронов (для анодных и катодных пластин) с наноразмерными упорядоченными образованиями, в качестве примера представлены на фиг.1 и фиг.2 для вольфрама и меди соответственно. Структурные особенности, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии, этих поверхностей вольфрама и меди наглядно демонстрируют возможность формообразования на них как эмитирующих зарядообразующих заостренных (фиг.1 и фиг.2, а), так и коллекторных плоских (фиг.2, б) структур, обладающих достаточно выраженной регулярностью. Характерные размеры наноструктурных образований на электродных поверхностях представлены в таблице 1 и составляют в среднем порядка 20 нм, что, с учетом расстояний между ними, позволяет достигнуть плотности вплоть 10¹⁰ см^-2. Аспектное отношение определяется аддитивным вкладом как отношения высоты такой наноструктуры к ее диаметру, так и отношения расстояния между наноструктурами к их диаметру, что позволяет не менее чем на 2 порядка увеличить коэффициент усиления процесса зарядообразования.

Необходимая для эффективной электроконвекции плотность тока достигается, начиная с нескольких десятков вольт. Повышение локальной напряженности на зарядообразующих центрах в виде таких наноструктур вплоть до нескольких десятков кВ/см вызывает сильную нелинейную зависимость плотности тока и, как следствие, интенсивную электроконвекцию. Мгновенная фотография возникающих при электроконвекции процессов демонстрируется на модельных мелкомасштабных электродах со специально созданной для их визуализации жидкостью с дисперсными взвесями (Фиг.3, а - одиночная модельная структура, Фиг.3, б - периодическая модельная система структур), которая получена в макетном образце теплообменного устройства, созданном для проведения испытаний различных электродных материалов с наноструктурированными поверхностями и апробации параметров и режимов его работы.

Сущность изобретения поясняется фотографией макетного образца теплообменного устройства (фиг.4) со вставкой атомно-силовых объемных изображений наноструктурированных поверхностей эмиттера 1 и коллектора 2 и схематическими изображениями его конструкции (Фиг.5), электрических соединений и потоков. Согласно Фиг.5 устройство состоит из эмитирующего электрода (катода) 1 (с температурой T₁, которая ниже Т₂), изготовленного из металла с низким уровнем энергии выхода электронов, и коллекторного электрода (анода) 2 (с температурой T₂, которая выше T₁) с высоким уровнем энергии выхода электронов, поверхности которых специально обработаны для создания упорядоченной с заданным размером наноструктуры, как это схематично изображено на Фиг.5. Электроды подключены к источнику напряжения 3, регулировкой которого обеспечивается достижение режима интенсивной и устойчивой электроконвекции. Межэлектродный промежуток 4 играет роль канала для прокачки теплоносителя, интенсивность электроконвекции теплоносителя может регулироваться как амплитудой прикладываемого напряжения, так и расстоянием между электродами. Ниже на Фиг.5 схематично приведено изображение наноструктурированных поверхностей эмиттера и коллектора. Входные 5 и выходные отверстия 6 обеспечивают подвод и отвод теплоносителя внешним маломощным насосом.

На коэффициент усиления электрического поля, создаваемого холодным полевым катодом, построенным на массиве из углеродных нанотрубок в качестве электрических эмиттеров, влияние отклонений от вертикали к плоскости катода нанотрубок, межэлектродных расстояний и экранировки между соседними нанотрубками незначительно (его величина лежит в пределах 5%) [3]. Показано также [4], что даже наличие температурной зависимости коэффициентов теплопроводности и электропроводности нанотрубок, из которых образована поверхность холодного полевого катода, при определенных параметрах прикладываемого напряжения и расстояний между нанотрубками исключает развитие тепловой неустойчивости.

Таким образом, в [3, 4] теоретически обосновано, что коэффициент усиления электрического поля, создаваемого системой эмитирующих электродов наномасштабного размера, к примеру нанотрубками, наиболее существенным образом определяется аспектным числом, равным отношению высоты нанотрубки к ее толщине. Роль остальных параметров (межэлектродных расстояний и экранировки между соседними нанотрубками) несущественна. Тепловая неустойчивость вполне устраняется оптимизацией соотношения между величиной прикладываемой напряженности, расстоянием «катод-анод» и/или соседними эмиттерами.

Наноструктурированные поверхности электродов имеют аспектные соотношения со значениями до 10, высокую плотность наноструктурных элементов 10⁹-10¹¹ см^-2, малое расстояние между анодом и катодом 20-200 мкм. Они создают устойчивый режим интенсивной электроконвекции при напряжении 1-100 В с уменьшенным уровнем энергопотребления, повышают уровень инжекции зарядов, устраняют влияние сил тяготения, так как они компенсируются капиллярными силами, что обусловлено существенным ростом числа Бонда [5] - ρgβh⁴/σ, где ρ - плотность, g - ускорение свободного падения, β - температуропроводность, h - толщина слоя и σ - поверхностное натяжение среды, которое резко возрастает с переходом к наноразмерным электродам.

Представленное описание процесса электроконвективного теплообмена подтверждено при испытаниях на модельном макете теплообменника заявляемого типа. При подключении коллектора к тепловыделяющему элементу в режиме развитой электроконвекции коэффициент теплоотдачи повышается в 6 раз относительно работы без нее.

Применение в качестве эмиттеров и коллекторов электродов, имеющих наноразмерные специально упорядоченные и симметрично (или нет) расположенные нанообразования, сформированные на поверхностях из металлов с уровнем энергии выхода электронов, низким для катода (эмиттер) и высоким - для анода (коллектор), или наоборот, в зависимости от применяемой рабочей жидкости позволяет обеспечить простоту устройства, отличается значительной простотой, не требует для повышения эффективности работы каскадного и последовательно-параллельного соединения однотипных элементов. Регулирование числа инжекционных центров на противоэлектродах с зарядкой и разрядкой на них ионов достигается без применения деионизатора. Использование металлических катодов и анодов с наноструктурированными поверхностями, имеющих наноразмерные инжекционные центры, обеспечивает высокоэффективный электроконвективный режим, на основе которого могут быть построены теплообменники.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Шкляр B.C. / Теплообменник // Патент СССР №1686298. - Опубл. 23.10 1991.

2. Сажин Ф.М., Болога М.К., Кожухарь И.А., Малахов А.В. / Способ регулирования теплопередачи между жидким и газообразным теплоносителями и устройство для его осуществления // Патент СССР №1703940. - Опубл. 07.01 1992.

3. Белецкий М.Д., Бочаров Г.С., Елецкий А.В. / Усиление электрического поля в холодных полевых катодах на основе углеродных нанотрубок // Журнал технической физики. - 2010. - Т.80, вып.2. - С.130-137.

4. Бочаров Г.С., Елецкий А.В., Sommerer T.J. / Оптимизация параметров холодного катода на основе углеродных нанотрубок // Журнал технической физики. - 2011. - Т. 81, №4. - С.111-116.

5. Зуев А.Л., Костарев К.Г. / Особенности концентрационно-капиллярной конвекции // УФН. 2008. Т.178. №10. С.1065-1085

1. Электроконвективный теплообменник с наноструктурированными электродами, отличающийся тем, что он имеет включенные последовательно-параллельные электроды с регулярной и упорядоченной наноструктурированной поверхностью (эмиттеры и коллекторы) из разных металлов, попарно подобранных с учетом уровней энергии выхода электронов для анодных и катодных пластин с низким для катода (эмиттер) и высоким - для анода (коллектор), или наоборот в зависимости от применяемой рабочей жидкости, обладающие наноструктурированными, специально созданными поверхностями, имеющими высокую плотность наноструктурных элементов 10⁹-10¹¹ см^-2 с аспектным соотношением не менее 10.

2. Способ управления процессом электроконвекции, отличающийся тем, что применяют электроды с регулярной и упорядоченной наноструктурированной поверхностью, и инициируют действие капиллярных сил при расстояниях между анодом и катодом в пределах 20 - 200 мкм.