CC BY
125
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ МИКРОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лавретьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. отделом, тел: +7 (383) 3307121, e-mail: vladkuz@itp .nsc .ru
В статье рассмотрены теплофизические проблемы разработки микрожидкостных охладителей лазерных систем и электронного оборудования, микропарогенераторов и МЭМС на основе пузырькового распада метастабильной жидкости. Представлены методы расчета теплообмена при кипении в микроканалах, взрывного кипения микрообъемов жидкости в условиях высокой внешней плотности энергии.
Ключевые слова: микрожидкостная система, микроканал, микроохладитель, МЭМС, кипение, взрывное кипение, метастабильная жидкость.
THERMOPHYSICAL PROBLEMS IN MICROFLUIDIC SYSTEMS DESIGN
Vladimir V. Kuznetsov
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 1, Dr. of Science, Head of Department, tel. 8-9137111007, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
The paper describes thermophysical problems in design of microfluidic cooler of laser systems and electronic equipment, microevaporators and MEMS-based on bubble decomposition of metastable liquid. The methods for prediction of flow boiling heat transfer in micro-channels and explosive boiling of liquid microvolumes at high ambient energy density are presented.
Key words: microfluidic system, microchannel, microcooler, MEMS, boiling, explosive boiling, metastable liquid.
1. Введение
Микрожидкостные системы являются важнейшей областью приложения микросистемной технологии. Микрожидкостная система представляет собой миниатюрное устройство, предназначенное для проведения различных химических и физических процессов с малыми объемами жидких реагентов. При этом типичные размеры элементов микрожидкостной системы составляют от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, а типичные потоки жидкости - от нескольких микролитров до десятков миллилитров в минуту.
Исследования процессов тепломассообмена в микрожидкостных системах с фазовыми превращениями бурно развиваются в последнее время. Это связано с ростом технологических приложений, которые требуют передачи больших потоков энергии в ограниченном объеме, например в системах охлаждения лазерных систем и микропроцессоров, МЭМС на основе управляемого распада микрообъемов жидкости, к которым относятся оптические переключатели и затворы, метатели капель в технологии струйной печати. Методы расчета тепло-
массообменных процессов в микрожидкостных системах при фазовых превращениях рассмотрены в данной работе.
2. Теплообмен при кипении движущейся жидкости в микрожидкостных системах
Рассмотрим процессы тепломассообмена при кипении в микрожидкостных охлаждающих системах и микропарогенераторах. При кипении движущейся жидкости в микроканалах отрывной диаметр пузыря может быть меньше поперечного размера канала, что имеет решающее влияние на теплообмен. Другой важной особенностью течения в микроканалах является появление новых режимов течения, к которым относится течение с удлиненными пузырями снарядами и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала.
Механизмы кипения движущейся жидкости в микроканалах рассмотрены в [1]. Получено, что кипение в микроканалах происходит под значительным влиянием капиллярных сил и большой развитости поверхности, что приводит к чрезвычайно тонким пленкам жидкости. Наиболее важными особенностями кипения в микроканалах является интенсификация кипения движущейся жидкости в стесненных условиях и подавление пузырькового кипения в сверхтонких пленках жидкости. Эти явления не имеют место в трубах большого диаметра. Тем не менее, модель для расчета теплоотдачи при кипении движущейся жидкости в трубах, например предложенная в [2], может быть модифицирована для применения в микроканалах. В этой модели коэффициент теплоотдачи при кипении движущейся жидкости рассчитывается как суперпозиция пузырькового кипения и вынужденной конвекции. В [1] было предложен учет интенсификации теплообмена при пузырьковом кипении для малых числел Вебера в виде фактора развития кипения:
%„, = 1 + 1.2/ехр(.8-№,,,, (1)
Число Вебера в (1) определяется через минимальный размер канала и расход жидкости на входе. Вместе с тем, данные [3] показывают, что повышение теплоотдачи при малых числах Вебера происходит и в случае доминирования вынужденной конвекции. С учетом этого, применим фактор (1), как помножающий коэффициент, к обоим слагаемым модели расчета коэффициента теплоотдачи. При расчете коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции в ламинарной области необходим учет геометрии канала, тепловых граничных условий и теплового начального участка. Важным является также правильный выбор модели пузырькового кипения в (2). Модель кипения должна учитывать шероховатость, теплофизические свойства поверхности и кипящей жидкости.
Для кольцевого течения в микроканальном теплообменнике толщина пленки жидкости может быть сравнима с диаметром критического зародыша, что вызывает подавление пузырькового кипения. Для учета подавления кипения используем фактор подавления кипения в сверхтонких пленках Ч^шр [1], как помножающий коэффициент для теплоотдачи при пузырьковом кипении, в следующем виде:
25
20
15
.с 10
. - Ф- -Съ. . -®. _ .<з. ,
...... КапсШкаг
196к\Л//т
150кМ/т
-----26к\Л//т2
□ 1%к\Л//т
д 150кИ//т
26к\«/т2
А
----------
-0.20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1
X
Рис. 1. Влияние паросодержания на коэффициент теплоотдачи. Точки - данные [4], линии - расчет по (2)
Рис. 2. Изменение во времени доли поверхности, покрытой пузырьками
где Р=1+хР%Ъ/р Г1У, Х=<+0 55Г'Ке“'С, Ч^епЬЧз.Ю-'е^ 0 ■ ^ , > Д/;" У™ _5%/л/г‘'-/ Ау /;,) _ число кипения, определен-
ное через приведенную скорость жидкости при паросодержании Х, ^ап -диаметр активного зародыша при кипении, рассчитанный по уравнению тт, - ря 'кг1ряР/ъ^ ■ Для расчета напряжения трения тм, используем модель [5] без учета уноса жидкости.
На рисунке 1 показано влияние равновесного паросодержания на коэффициент теплоотдачи при кипении хладона R-134a в микроканальном теплообменнике. Символами показаны экспериментальные данные [4], сплошными линиями показаны расчеты по уравнению (2), пунктирная линия показывает расчет по модели [6]. Экспериментальные данные были получены для микрока-
л
нального теплообменника с каналами мкм при тепловом потоке 196 кВт/м (О = 334 к^/ш^), 150 кВт/м2 (О = 250 к^/т^) и 26 кВт/м2 (О = 42 к^/ш^). Как видно, в широкой области тепловых потоков и массовых расходов предложенная модель хорошо соответствует экспериментальным данным, исключая паросодер-жание больше 0,7. В этой области необходим более полный анализ подавления вынужденной конвекции с учетом сухих пятен на стенках канала.
3. Взрывное кипение микрообъемов жидкости в камерах МЭМС МЭМС на основе управляемого распада жидкости используют сверхбыстрый нагрев и фазовый переход жидкость-пар на резистивных микронагревателях. Критерием перехода к фазовому взрыву жидкости является достижение температуры жидкости термодинамической спинодали, близкой к 0.9 Тс. Проблемой достижение этой температуры является экспоненциальный рост тепло-
вых флуктуаций и уменьшение времени ожидания вскипания вблизи спинода-ли, которая была решена при использовании микрожидкостных систем.
Пузырьковый распад воды и спиртов при импульсном нагреве был исследован в [7] для плоского микронагревателя, покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем. В другой серии опытов был использован микронагреватель с внешним танталовым наноструктурным слоем. Нагреватель с поверхностью 100x110 мкм2 представляет собой четырехслойную или пятислойную пленку, последовательно нанесенную методом PECVD на плоской подложке из стекла. Был установлен волновой механизм фазового взрыва неравновесной системы, обусловленный взаимосвязью гидродинамических, тепловых и акустических явлений при интенсивном фазовом переходе. Характеристики наноструктурной поверхности определяли температуру инициации кипения, что показывает важность учета гетерогенного механизма зародышеобразования.
Рассмотрим самосогласованное зародышеобразование и рост пузырей в поле волны давления, возникающей при распаде жидкости на гладкой и наноструктурной поверхности. Частота появления зародышей паровой фазы по модели гомогенного зародышеобразования [8] определяется как:
J = М,Вехр(/кТ), Ж =16жт3/3(Рг -Рг)2( 1 -Ряа /р1щ) (3)
где N1 - число молекул в единице объёма, В - кинетический коэффициент, учитывающий динамику роста парового пузырька, Р/ - давление жидкости. Полное число пузырьков, возникших к моменту времени т, определяется интегралом, где учтен гетерогенный и гомогенный механизм зародышеобразования:
т СО
п(т) = 80\Л(1-э^)){1ш(Т1Г(0,Р1)+ |й?2/(Гг(?,г),Рг)} (4)
о о
Здесь 50 - площадь поверхности нагревателя, и занятая паровыми пузырьками доля поверхности, исключаемая для зародышеобразования. Подобным образом определяется ^ и полный объем пара в момент т.
Зародышеобразование в окрестности плоского нагревателя приводит к увеличению давления из-за инерции окружающей нагреватель жидкости. Среднее давление на нагревателе можно определить, используя расчет акустического излучения при ускоренном движении фиктивного поршня в сжимаемой жидкости с диаметром, соответствующим площади нагревателя. С учетом уравнения для роста пузырька, это дает самосогласованную теорию пузырькового распада жидкости. Рост пузырей в окрестности спинодали рассмотрен с учетом сжимаемости жидкости и неоднородности поля температуры, учтен механизм подвода тепла от окружающей жидкости и через микрослой, в том числе при образовании сухих пятен при высокой внешней плотности энергии. Температура жидкости определялась решением задачи теплопроводности для многослойного нагревателя с учётом тепла, идущего на парообразование.
В рамках данной модели проведено численное исследование пузырькового распада воды и спиртов на гладкой и нано-структурированной поверхности. На
рис. 2 показано сравнение расчёта относительной доли поверхности нагревателя, покрытой паровыми пузырьками, с экспериментальными данными для воды. В расчете учитывалось снижение работы зародышеобразования в уравнении (3) из-за плохого смачивания водой поверхности карбида кремния. Расчеты взрывного кипения для наноструктурной поверхности показали, что температура начала взрывного кипения зависит от размера наноцентров гетерогенного кипения. Это определяет возможность управления пузырьковым распадом жидкости при изменении свойств поверхности нагревателя.
4. Заключение
Представленные результаты показывают высокую эффективность применения микросистем для проведения фазовых превращений в системах охлаждения, микропарогенераторах, МЭМС и т.д., что позволяет реализовать ранее недоступные технологии. Для реализации этих возможностей принципиально важными являются разработанные методы расчета теплообмена при кипении движущейся жидкости и взрывного кипения в микрожидкостных системах, которые показывают не только их преимущества, но и возможные проблемы, связанные, например, с подавлением пузырькового кипения в тонких пленках жидкости.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 11-08-01140а), ОЭММПУ РАН (проект № 2.4.3) и Сибирского отделения РАН (интеграционный проект №74).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kuznetsov V.V. Heat and Mass Transfer with Phase Change and Chemical Reactions in Microscale // Proc. Int. Heat Transfer Conf. IHTC14. - Washington, DC. - 2010. - IHTC14-22570.
2. Liu Z, Winterton R.H.S. A general correlation for saturated and subcooled flow boiling in tubes, based on a nucleate pool boiling equation // Int. J. of Heat and Mass Transfer. - 1991. - Vol. 34.- P. 2759-2766.
3. Kuznetsov V.V., Shamirzaev A.S. Boiling Heat Transfer for Freon R21 in Rectangular Minichannel // Heat Transfer Eng. - 2007. - Vol. 28 (8-9). - P. 738-745.
4. Bertsch S.S., Groll E.A., Garimella S.V. Effects of heat flux, mass flux, vapor quality, and saturation temperature on flow boiling heat transfer in microchannels // Int. J. Multiphase Flow. -2009. - Vol. 35. - P. 142-154.
5. Asali J.C., Hanratty T.J., Andreussi P. Interfacial drag and film height for vertical annular flow // AlChE J. - 1985. - Vol. 31. - P. 886-902.
6. Kandlikar S.G., Balasubramanian P. An Extension of the Flow Boiling Correlation to Transition, Laminar, and Deep Laminar Flows in Mini-Channels and Micro-Channels // Heat Transfer Eng. - 2004. - Vol. 25 (3). - P. 86-93.
7. Kozulin I.A., Kuznetsov V.V. Explosive Vaporization of a Water Layer on a Flat Microheater // Journal of Engineering Thermophysics. - 2010. - Vol. 19 (2). - P. 102-109.
8. Skripov V.P. Metastable Liquids. - New York: J. Wiley. - 1974. - 282 p.
© В.В. Кузнецов, 2013
