利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置。包括汽泡微細(xì)化沸騰加熱部、微小型混合通道、水箱、溫度控制箱、泵、流量計(jì)、混合液蓄水箱及廢液水箱，所述微小型混合通道為人字形微管道即包括兩個入口和一個出口，兩個水箱分別連接微小型混合通道的兩個入口，微小型混合通道的一個出口連接混合液蓄水箱及廢液水箱，汽泡微細(xì)化沸騰加熱部固定在微小型混合通道外，兩個水箱與微小型混合通道的連接管道上設(shè)置溫度控制箱、泵和流量計(jì)。本發(fā)明克服了靜態(tài)微型混合裝置混合時間過長、混合效果差、流動管道加工復(fù)雜和容易引起管道堵塞的缺陷。
【專利說明】利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種微小型流體混合裝置，特別是利用汽泡微細(xì)化沸騰現(xiàn)象加強(qiáng)微小型管道中分層流體混合的裝置。主要用于化學(xué)分析、生物及化學(xué)傳感、分子分離、核酸排序及分析環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的微小型流體混合裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微小型混合裝置是指實(shí)現(xiàn)不同流體在微小型通道內(nèi)混合的微流控器件系統(tǒng)，其目的是降低流體的非均勻性。由于在化工、生物、醫(yī)藥、生物化學(xué)和微電子等領(lǐng)域中，微小管道內(nèi)的換熱和流動正被越來越多的科研人員關(guān)注與研究。由于微通道尺寸很小，大約在
0.0lmm到IOmm范圍內(nèi)，因此造成雷諾數(shù)Re=uL/ v通常小于100,式中u表示流體的流速，L表示特征長度，V表示流體的運(yùn)動粘度。這就造成了微小通道內(nèi)流體流動狀態(tài)多呈層流流動。
[0003]隨著微小通道內(nèi)化工單元操作化學(xué)反應(yīng)以及生化分析研究的深入，微小通道內(nèi)流體的混合技術(shù)已經(jīng)成為未來微通道發(fā)展中及其重要的一項(xiàng)研究。但是由于微通道內(nèi)流體流動大多為層流流動，因此微通道內(nèi)流體混合無法依靠湍流流動來實(shí)現(xiàn)。為解決微小通道內(nèi)流體的混合以及其混合的快速性和均勻性等問題，微小混合裝置的研究必將獲得更為廣闊的發(fā)展空間。
[0004]微小混合裝置根據(jù)有無動力源可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)微混合裝置主要依靠改變混合器中微小型管道的自身結(jié)構(gòu)的特征來增加微流體的有效接觸面積或者產(chǎn)生渦旋來增強(qiáng)擴(kuò)散或者流體的擾動，提高流體的混合效果。目前的靜態(tài)微混合裝置主要包括T型微混合器、混沌微混合器、并行迭片微混合器、串聯(lián)迭片微混合器、多交互薄層微混合器等。動態(tài)微混合裝置主要通過微型反應(yīng)器或外加力場來實(shí)現(xiàn)分層流體的混合。目前的動態(tài)微混合裝置主要包括磁力攪拌型微混合器、超聲波促進(jìn)型微混合器、電場促進(jìn)型微混合器、脈沖擾動微混合器、熱擾動微混合器等。
[0005]對于現(xiàn)有的靜態(tài)混合裝置，其混合流體僅僅依靠分子擴(kuò)散，因此造成靜態(tài)混合裝置混合時間過長，混合效果差，且容易引起管道內(nèi)的堵塞。對于超聲波、電場、磁力等驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)的動態(tài)微混合裝置其缺點(diǎn)是驅(qū)動電壓偏高，與微器件的功率不匹配，生產(chǎn)成本較高，只適合于有極性或磁性的液體等。因此目前大多數(shù)的微混合裝置在應(yīng)用上都受到了很大的約束。
[0006]從1981 年日本學(xué)者 Inada 等人(S.1nada, Y.Miyasaka, R.1zumi, et al., A studyon boiling curves in subcooled pool boiling(4th Report;Heat transfer mechanismin transition boiling), Transaction of JSME47 (423)，1981，pp.2199 - 2208)首次在論文中發(fā)表關(guān)于汽泡微細(xì)化沸騰的研究到現(xiàn)在，關(guān)于其的研究還處于比較初級的階段，但是該現(xiàn)象所帶來的應(yīng)用前景確是異常廣泛的。Suzuki等人(K.Suzuki, T.Kokubu, Μ.Nakanoj H.Kawamuraj 1.Uenoj H.Shidaj0.0gawaj Enhancement of heat transfer insubcooled flow boiling with microbubble emission, Experimental Thermal andFluid Science29 (2005)，pp.827 - 832.)進(jìn)行了大量流通沸騰條件下的汽泡微細(xì)化沸騰實(shí)驗(yàn)，而上海交通大學(xué)的鄭平和王國棟(G.D.Wang, P.Cheng, Subcooled flowboiling and microbubble emission boiling phenomena in a partially heatedmicrochannel, International Journal of Heat and Mass Transfer52, 2009, pp.79-91)首次成功實(shí)現(xiàn)了微通道內(nèi)的汽泡微細(xì)化沸騰現(xiàn)象。以上學(xué)者們的實(shí)驗(yàn)，都為微小通道內(nèi)利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)分層流體的混合提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種利用汽泡微細(xì)化沸騰實(shí)現(xiàn)快速、高效的加強(qiáng)流體混合的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]包括汽泡微細(xì)化沸騰加熱部、微小型混合通道、水箱、溫度控制箱、泵、流量計(jì)、混合液蓄水箱及廢液水箱，所述微小型混合通道為人字形微管道即包括兩個入口和一個出口，兩個水箱分別連接微小型混合通道的兩個入口，微小型混合通道的一個出口連接混合液蓄水箱及廢液水箱，汽泡微細(xì)化沸騰加熱部固定在微小型混合通道外，兩個水箱與微小型混合通道的連接管道上設(shè)置溫度控制箱、泵和流量計(jì)。
[0010]本發(fā)明還可以包括:
[0011]1、微小型混合通道的兩個入口處設(shè)置有熱電偶。
[0012]2、汽泡微細(xì)化沸騰加熱部連接有功率控制器。
[0013]3、所述汽泡微細(xì)化沸騰加熱部主要包括加熱銅塊、保溫套、固定套、小型加熱器，加熱銅塊座在保溫套內(nèi)，保溫套座在固定套內(nèi)，加熱銅塊頂部用作加熱面，而加熱銅塊下端裝有一定數(shù)量的小型加熱器為加熱表面提供熱量，小型加熱器的導(dǎo)線通過保溫和固定套底部開的孔引出接到功率控制器上，固定套的凸緣通過螺栓與微小型混合通道連接。
[0014]4、保溫套與固定套之間有間隙，加熱銅塊與保溫套之間有間隙。
[0015]汽泡微細(xì)化沸騰發(fā)生時，加熱面上存在劇烈的微氣泡噴射過程，利用由此帶來的劇烈的擾動，來加強(qiáng)微通道內(nèi)分層流體的混合。微細(xì)化沸騰過程中，加熱面上會經(jīng)歷聚合汽泡形成和破裂以及隨后的大量微小汽泡噴射等過程，但聚合氣泡存在時間極短，微氣泡的噴發(fā)占主導(dǎo)地位。為實(shí)現(xiàn)混合分層流體的功能，本發(fā)明的裝置主要包括汽泡微細(xì)化沸騰加熱部、微小型混合通道、水箱、溫度控制箱、泵、流量計(jì)、混合液蓄水箱、廢液水箱、功率控制器及熱電偶等。其中汽泡微細(xì)化沸騰加熱部還包括加熱銅塊、保溫陶瓷套、固定用不銹鋼套、小型加熱器等。流體分別經(jīng)過泵和溫度控制箱流入微小型混合通道，汽泡微細(xì)化沸騰加熱部安裝在微小型混合通道下部，用于加熱分層流體。初期混合不均勻的流體排入廢液水箱，混合較為均勻后流體排入混合液蓄水箱。
[0016]所述的汽泡微細(xì)化沸騰加熱部中的加熱面材料為純銅。
[0017]所述的汽泡微細(xì)化沸騰加熱部中加熱銅塊的直徑小于保溫陶瓷套內(nèi)徑，保溫陶瓷套外徑小于固定用不銹鋼套內(nèi)徑，用以減少銅塊徑向熱量損失，并減少保溫陶瓷套所承受的應(yīng)力。
[0018]利用微小管道內(nèi)汽泡微細(xì)化沸騰發(fā)生時劇烈的汽泡運(yùn)動加強(qiáng)微管道中流體的混
口 ο[0019]所述的溫度控制箱和泵用于控制分別進(jìn)入微小型混合通道的分層流體的入口溫度及入口質(zhì)量流量。
[0020]所述的入口溫度決定了利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)微通道內(nèi)分層流體的混合的效果，流體入口溫度越低，微小型流體混合器的混合效果越高。
[0021]所述的溫度控制箱包括加熱器和冷卻裝置用以控制流體溫度。
[0022]所述的熱電偶和流量計(jì)配合采集系統(tǒng)與電腦使用實(shí)時監(jiān)測入口溫度及入口質(zhì)量流速，以確保汽泡微細(xì)化沸騰發(fā)生，分層流體均勻混合。
[0023]所述的微小型混合通道為微小型通道。
[0024]汽泡微細(xì)化沸騰是指在一定過冷度下發(fā)生的一種特殊沸騰過程，在其發(fā)生時加熱面的熱流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臨界熱流密度(CHF)，并伴隨汽泡破裂和大量微小汽泡噴射的過程。微小管道中，利用汽泡微細(xì)化沸騰過程中劇烈的汽泡行為，在一定入口條件下可以實(shí)現(xiàn)有效、快速的加強(qiáng)分層的流體的混合。
[0025]本發(fā)明利用汽泡微細(xì)化沸騰，結(jié)合流量計(jì)、熱電偶、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的采集軟件，可以準(zhǔn)確控制汽泡微細(xì)化沸騰的發(fā)生，保證流體混合充分，并且保證加熱壁面不被燒毀。
[0026]本發(fā)明克服了靜態(tài)微型混合裝置混合時間過長、混合效果差、流動管道加工復(fù)雜和容易引起管道堵塞的缺陷。對于各種非極性或非磁性流體也有很好的混合效果，克服了磁力攪拌型微混合器、電場促進(jìn)型微混合器等微型混合裝置只能混合極性和磁性流體的缺陷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1本發(fā)明的系統(tǒng)圖；
[0028]圖2微小型混合通道示意圖；
[0029]圖3汽泡微細(xì)化沸騰加熱部結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方案和具體操作過程，但本發(fā)明保護(hù)范圍不限于下屬實(shí)例。
[0031]結(jié)合圖1和圖2，實(shí)現(xiàn)利用汽泡微細(xì)化沸騰快速、均勻的混合管道中分層流體的系統(tǒng)主要包括汽泡微細(xì)化沸騰加熱部1、微小型混合通道2、水箱3、溫度控制箱4、泵5、流量計(jì)6、混合液蓄水箱7、廢液水箱8、功率控制器9，熱電偶10等。溫度控制箱4通過電加熱器和冷卻水回路調(diào)節(jié)流體入口水溫。微小型混合通道2為人字形微管道，待混合的兩種流體分別從兩個入口通入，混合后從出口流出。功率控制器9帶有緊急制動以確保裝置的安全性。
[0032]結(jié)合圖3，其中汽泡微細(xì)化沸騰加熱部I主要包括加熱銅塊1-1、保溫陶瓷套1-2、固定用不銹鋼套1-3、小型加熱器1-4、等。加熱銅塊1-1座在保溫陶瓷套1-2內(nèi)，而保溫陶瓷套1-2座在固定用不銹鋼套1-3內(nèi)。加熱銅塊1-1頂部用作加熱面，而加熱銅塊1-1下端裝有一定數(shù)量的小型加熱器1-4為加熱表面提供熱量。小型加熱器1-4的導(dǎo)線通過保溫陶瓷套和固定用不銹鋼套底部開的孔引出接到功率控制器9上。固定用不銹鋼套1-3的凸緣通過螺栓與微小型混合通道2連接，以固定保溫陶瓷套1-2的位置。加熱銅塊1-1的直徑在加工時要小于保溫陶瓷套1-2的內(nèi)徑，而保溫陶瓷套1-2的外徑要小于固定用不銹鋼套1-3的內(nèi)徑，用以在各層之間形成間隙。保溫陶瓷套1-2與固定用不銹鋼套1-3之間的間隙的作用是減少保溫陶瓷套徑向熱損失。加熱銅塊1-1與保溫陶瓷套1-2之間的間隙的作用是減少加熱銅塊的徑向熱損失；并且減少保溫陶瓷套1-2所受的應(yīng)力，避免其工作時破裂。
[0033]以兩種流體攪渾為例敘述本發(fā)明實(shí)施流程:首先，汽泡微細(xì)化沸騰加熱部I和溫度控制箱4處于關(guān)閉狀態(tài)，通向廢液水箱8的閥門打開，通向混合液蓄水箱7的閥門關(guān)閉。之后，兩種流體分別從水箱3經(jīng)過泵5通入微小型混合通道2，將從微小型混合通道2流出的流體排入廢液水箱8中。當(dāng)微小型混合通道2中充滿流體時開啟溫度控制箱4和汽泡微細(xì)化沸騰加熱部1，通過調(diào)節(jié)電加熱器加熱功率和冷卻水回路流量控制通入的流體入口溫度，通過功率控制器9調(diào)節(jié)加熱功率。經(jīng)過一段時間后，汽泡微細(xì)化沸騰現(xiàn)象發(fā)生，加熱面上周期性的發(fā)生汽泡聚合、破裂和大量微小汽泡噴射的過程。此時兩種流體快速混合，之后迅速關(guān)閉通向廢液水箱8的閥門，打開通向混合液蓄水箱7的閥門，將混合后的流體通入混合液蓄水箱7。流量計(jì)6和熱電偶10與計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合實(shí)時監(jiān)測微小型混合通道2的入口參數(shù)，以確保汽泡微細(xì)化沸騰發(fā)生的入口條件?；旌辖Y(jié)束后要先關(guān)閉汽泡微細(xì)化沸騰加熱部1，再關(guān)閉溫度控制箱4，避免引起加熱面燒毀。
[0034]本發(fā)明的微小型混合通道結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，克服了通過改變通道幾何形狀實(shí)現(xiàn)流體混合等靜態(tài)微型混合裝置中容易出現(xiàn)管道堵塞的缺陷。本發(fā)明利用汽泡微細(xì)化沸騰現(xiàn)象發(fā)生時加熱面上劇烈的汽泡破裂、微小汽泡噴射等過程來實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)流體混合的目的，且具有混合時間短，混合效率高的優(yōu)點(diǎn)，對于雷諾數(shù)極低的流體的混合同樣適用。由于采用加熱方式作為混合的手段，因此只需被混合的流體在一定溫度范圍內(nèi)不發(fā)生有害變化即可，對于各種非極性或非磁性流體的混合同樣適用，克服了磁力攪拌型微混合器、電場促進(jìn)型微混合器等動態(tài)微型混合裝置的缺陷。
【權(quán)利要求】
1.一種利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，包括汽泡微細(xì)化沸騰加熱部、微小型混合通道、水箱、溫度控制箱、泵、流量計(jì)、混合液蓄水箱及廢液水箱，其特征是:所述微小型混合通道為人字形微管道即包括兩個入口和一個出口，兩個水箱分別連接微小型混合通道的兩個入口，微小型混合通道的一個出口連接混合液蓄水箱及廢液水箱，汽泡微細(xì)化沸騰加熱部固定在微小型混合通道外，兩個水箱與微小型混合通道的連接管道上設(shè)置溫度控制箱、泵和流量計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，其特征是:微小型混合通道的兩個入口處設(shè)置有熱電偶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，其特征是:汽泡微細(xì)化沸騰加熱部連接有功率控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，其特征是:所述汽泡微細(xì)化沸騰加熱部主要包括加熱銅塊、保溫套、固定套、小型加熱器，力口熱銅塊座在保溫套內(nèi)，保溫套座在固定套內(nèi)，加熱銅塊頂部用作加熱面，而加熱銅塊下端裝有一定數(shù)量的小型加熱器為加熱表面提供熱量，小型加熱器的導(dǎo)線通過保溫和固定套底部開的孔引出接到功率控制器上，固定套的凸緣通過螺栓與微小型混合通道連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，其特征是:所述汽泡微細(xì)化沸騰加熱部主要包括加熱銅塊、保溫套、固定套、小型加熱器，加熱銅塊座在保溫套內(nèi)，保溫套座在固定套內(nèi)，加熱銅塊頂部用作加熱面，而加熱銅塊下端裝有一定數(shù)量的小型加熱器為加熱表面提供熱量，小型加熱器的導(dǎo)線通過保溫和固定套底部開的孔引出接到功率控制器上，固定套的凸緣通過螺栓與微小型混合通道連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，其特征是:保溫套與固定套之間有間隙，加熱銅塊與保溫套之間有間隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用汽泡微細(xì)化沸騰加強(qiáng)流體混合的微小型混合裝置，其特征是:保溫套與固定套之間有間隙，加熱銅塊與保溫套之間有間隙。
【文檔編號】B01F13/00GK103566807SQ201310563536
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】孫立成, 唐繼國, 閻昌琪, 朱光昱, 田道貴, 孫中寧, 曹夏昕, 王建軍, 范廣銘, 丁銘 申請人:哈爾濱工程大學(xué)