一種液體自推進輸送方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流體輸送技術，特別涉及一種液體自推進輸送方法。
【背景技術】
[0002] 1756年德國醫(yī)生萊頓弗羅斯特在一把燒的通紅的鐵勺上滴上一滴水珠，水珠竟然 懸浮起來并持續(xù)30秒。水滴能夠懸浮起來的原因在于，在接觸炙熱的鐵勺后，水滴底部立 即形成一層水蒸汽膜，把水珠與鐵勺隔開，就使得水滴懸浮起來，使液滴與固體之間的傳熱 量大大減小，減慢了汽化速度，因此懸浮時間延長，這就是萊頓弗羅斯特現象。以往，工業(yè)上 極力阻止萊頓弗羅斯特效應的發(fā)生，尤其是在沸騰傳熱領域，因為這種現象會嚴重惡化傳 熱過程，降低效率，甚至燒壞設備。但近些年，科學家們注意到萊頓弗羅斯特效應使得液滴 處于懸浮的狀態(tài)，極大地減小了液滴的移動阻力，這種近似于零摩擦的輸送現象將極大地 改善液體運輸過程中的摩擦損失，進而節(jié)約能源。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明是針對萊頓弗羅斯特效應運用的問題，提出了一種液體自推進輸送方法， 利用了產生萊頓弗羅斯特效應的液體在具有不對稱微結構的固體表面上會發(fā)生自推進的 現象，設計液體輸送裝置，達到節(jié)能效果。
[0004] 本發(fā)明的技術方案為：一種液體自推進輸送方法，具體包括如下步驟：
[0005] 1)在輸送管道的內壁面加工微結構，微結構為統(tǒng)一向一邊傾斜的鋸齒型波浪； [0006] 2)輸送管道外的真空泵通過連接管和輸送管道內連接，啟動抽氣泵，使輸送管道 內液體壓力的降低；
[0007] 3)啟動管道外側的加熱器對管道進行加熱，輸送管道內液體的溫度達到其萊頓弗 羅斯特溫度，液體與管道內壁面之間產生一層穩(wěn)定的蒸汽膜，液體不再與輸送管道內壁面 直接接觸而處于懸浮狀態(tài)；
[0008] 4)在輸送管道的內壁面的傾斜鋸齒型微結構上產生的壓力差，輸送管道內液體向 傾斜邊朝下的水平方向進行自推進。
[0009] 所述管道內壁面斜鋸齒型微結構，在蒸汽膜與接觸表面之間形成了帶溝道的直角 三角形結構。
[0010] 所述管道內液體所受的水平牽引力為：
[0011]
[0012] 其中Arff為液體與蒸汽膜之間的有效接觸面積，k為常量，P A為微結構鋸齒尖端點 的氣壓，PB為微結構溝道內的氣壓，Θ為鋸齒結構的傾斜角，即直角三角形斜邊與管道內部 的夾角。
[0013] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明液體自推進輸送方法，具有節(jié)約能源、傳輸流動阻 力低的特點，尤其適合于粘稠流體的輸送。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明液體自推進輸送裝置圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明利用萊頓弗羅斯特現象進行液體自推進的示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明裝置中管道內壁面微結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 液體自推進輸送方法的具體實施步驟：
[0018] (1)在輸送管道的內壁面上加工微結構表面如圖1所示，微結構型式微斜鋸齒型；
[0019] (2)由進液口 2向管道內注入液體，真空泵1通過連接管3和輸送管道連接，啟動 抽氣泵1，隨著輸送管道內液體壓力的降低，液體的沸點降低，對應的萊頓弗羅斯特溫度也 隨之降低；
[0020] (3)啟動管道加熱器4對管道進行加熱甚至在常溫下（隨管道內液體壓力而定）， 液體的溫度達到其在該狀況下的萊頓弗羅斯特溫度，此時液體與管道內壁面之間產生一層 穩(wěn)定的蒸汽膜，液體不再與輸送管道內壁面直接接觸而是處于懸浮狀態(tài)，液體與管道壁面 之間的摩擦力顯著降低；
[0021] (4)由于斜鋸齒結構5的幾何不對稱，導致微結構間產生了向著某一特定方向的 壓力差，在該壓力差的驅動下，懸浮液體會產生的定向移動，利用本步驟可以實現液體的自 推進輸送。
[0022] 液體自推進輸送原理：
[0023] 1、萊頓弗羅斯特現象是一個經典的熱學現象，是指高溫表面與液滴之間產生一層 過熱的蒸汽膜將液滴托起，同時起到熱絕緣的作用，以致液體與壁面之間要依靠氣體膜兩 側溫度差傳熱的現象。進行換熱的固體表面為平滑表面時，液體在表面附近只會發(fā)生沸騰 而產生氣泡，當把平滑的固體表面換成具有鋸齒型微結構的微結構表面時，一方面，固液之 間產生穩(wěn)定的蒸汽膜而使得固液分離，另一方面，由于不對稱的微結構而使得液體受到向 著某一特定方向的推動力。
[0024] 2、單位時間傳給液體的熱量Q正比于表面的接觸面積A(即管道加熱器所接觸的 管道外壁面積），蒸汽的導熱系數λ和蒸汽膜溫度梯度Λ T/e，e為蒸汽膜厚度。但是在液 體溫度等于它的萊頓弗羅斯特溫度的穩(wěn)定狀態(tài)下，所有傳入的熱量都被用來蒸發(fā)，液體的 蒸發(fā)率為：
[0025]
[0026] 其中m為液體質量；L為蒸發(fā)潛熱。Λ T為蒸汽膜的上下溫差。
[0027] 其次，由于液體的重力原因，引發(fā)了一個蒸汽的徑向流動。由于蒸汽膜的厚度 小，可以從納維-斯托克斯方程和潤滑近似法計算其速率。流動是徑向的且邊界條件是： VrCr, ζ) |z = (l= Vr(r, ζ) |z = e= 0 以至于 V(r, ζ) z(e-z)，其中 r、z 是管道徑、軸向坐標。 此外，考慮到在徑向上流量是不變，有V (r，z) 1；/r。速度應該與液體施加的壓差Λ p和蒸 汽密度Pv成正比，并與它的粘度η成反比，此時可得
[0028]
[0029] 3、如圖2所示，管道內壁面被加工成斜鋸齒型，在蒸汽膜與接觸表面之間形成了 帶溝道的直角三角形結構。這三角形的非平衡結構在自推進中起到了決定性作用，由于鋸 齒兩側角度不等，幾何不對稱，導致蒸汽膜中的蒸汽在逸出時，鋸齒左側蒸汽主要沿左側溝 道流動（泄流方向在垂直于紙面的方向），而右側蒸汽主要沿鋸齒坡面運動（最終匯入其前 方鋸齒的溝道泄流），因而鋸齒尖端點的氣Spa大于溝道內的氣壓Pb，產生了向右側的牽引 力，于是液體發(fā)生向右的推進運動。同時由于液滴與蒸汽之間存在黏滯力，液滴在運行過程 中還會受到蒸汽的黏滯阻力。
[0030] 根據萊頓弗羅斯特現象的原理可知，在金屬表面突出部分的蒸汽膜厚度最小，在 這一點的蒸發(fā)速率最大，如圖2中的鋸齒尖端點P，因而蒸汽流會由P點向臨近的&和B2運 動。其中由P向B2流動的蒸汽流會在鋸齒型金屬表面的溝槽匯聚形成泄流氣體，沿紙面垂 直向內和向外的方向流動，因而不會對沿水平方向的牽引力Ftl有貢獻。水平方向的牽引力 Ftl主要由從P向B2流動的氣流氣壓提供。如圖3所示管道內壁面微結構示意圖，設蒸汽壓 梯度為dp/dx，X為面積元距鋸齒尖端P的距離（見圖2中X)，則液體與蒸汽膜接觸面單位 面積元dS處的蒸汽壓為：
。假定液體表面邊界光滑，液體與蒸汽膜間無滑 動，可得水平牽引力為Ftl=Ic sin0 J J p(x)dS，其中k為常量，Θ為鋸齒結構的傾斜角 (即直角三角形斜邊與管道內部的夾角）。當壓強梯度一定，設1為鋸齒結構的斜面長度， 有
。由此可以得到液體所受的水平牽引力為：
[0031]
[0032] 其中Arff為液體與蒸汽膜之間的有效接觸面積。
[0033] 液體是完全懸浮于蒸汽膜之上，由于蒸汽氣流速度與液體運動速度間存在速度 差，會產生黏滯阻力，應用牛頓黏性定律有：
[0034]
[0035] 其中：η為蒸汽的黏度，μ為蒸汽氣流速度，h為蒸汽膜厚度，q為常量。可認為 相對速度梯度
一定，有
定義β = q n 入上式化簡得：f =-υχβ 0
[0036] 萊頓弗羅斯特現象產生時，液體完全懸浮于自身受熱產生的蒸汽之上，液體與固 體表面之間被一層穩(wěn)定的蒸汽膜所隔開，固液之間幾乎沒有摩擦力，而液體與蒸汽膜之間 的粘滯力相對與水平牽引力很小，因此在平衡力的作用下，實現了液體的自推進輸送。
【主權項】
1. 一種液體自推進輸送方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 在輸送管道的內壁面加工微結構，微結構為統(tǒng)一向一邊傾斜的鋸齒型波浪； 2) 輸送管道外的真空泵通過連接管和輸送管道內連接，啟動抽氣泵，使輸送管道內液 體壓力的降低； 3) 啟動管道外側的加熱器對管道進行加熱，輸送管道內液體的溫度達到其萊頓弗羅斯 特溫度，液體與管道內壁面之間產生一層穩(wěn)定的蒸汽膜，液體不再與輸送管道內壁面直接 接觸而處于懸浮狀態(tài)； 4) 在輸送管道的內壁面的傾斜鋸齒型微結構上產生的壓力差，輸送管道內液體向傾斜 邊朝下的水平方向進行自推進。2. 根據權利要求1所述液體自推進輸送方法，其特征在于，所述管道內壁面斜鋸齒型 微結構，在蒸汽膜與接觸表面之間形成了帶溝道的直角三角形結構。3. 根據權利要求2所述液體自推進輸送方法，其特征在于，所述管道內液體所受的水 平牽引力為：其中4^為液體與蒸汽膜之間的有效接觸面積，k為常量，A為微結構鋸齒尖端點的氣 壓，A為微結構溝道內的氣壓，$為鋸齒結構的傾斜角，即直角三角形斜邊與管道內部的夾 角。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種液體自推進輸送方法，在液體輸送管內加工微結構，利用真空和加熱手段，使輸送管道內液體的溫度達到其萊頓弗羅斯特溫度，液體與管道內壁面之間產生一層穩(wěn)定的蒸汽膜，液體不再與輸送管道內壁面直接接觸而處于懸浮狀態(tài)，阻力最??；液體在具有不對稱微結構的固體表面上會發(fā)生自推進的現象，達到自動輸送。具有節(jié)約能源、傳輸流動阻力低的特點，尤其適合于粘稠流體的輸送。
【IPC分類】F17D1/08
【公開號】CN104948912
【申請?zhí)枴緾N201510264505
【發(fā)明人】賈志海, 朱海濤, 鮑鵬龍, 譚琛川, 施其明, 王剛
【申請人】上海理工大學
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年5月21日