利用汽泡微细化沸腾加强流体混合的微小型混合装置

摘要

本发明提供的是一种利用汽泡微细化沸腾加强流体混合的微小型混合装置。包括汽泡微细化沸腾加热部、微小型混合通道、水箱、温度控制箱、泵、流量计、混合液蓄水箱及废液水箱，所述微小型混合通道为人字形微管道即包括两个入口和一个出口，两个水箱分别连接微小型混合通道的两个入口，微小型混合通道的一个出口连接混合液蓄水箱及废液水箱，汽泡微细化沸腾加热部固定在微小型混合通道外，两个水箱与微小型混合通道的连接管道上设置温度控制箱、泵和流量计。本发明克服了静态微型混合装置混合时间过长、混合效果差、流动管道加工复杂和容易引起管道堵塞的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微小型流体混合装置，特别是利用汽泡微细化沸腾现象加强微小型 管道中分层流体混合的装置。主要用于化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及 分析环境监测等领域的微小型流体混合装置。

背景技术

微小型混合装置是指实现不同流体在微小型通道内混合的微流控器件系统，其目的是降 低流体的非均匀性。由于在化工、生物、医药、生物化学和微电子等领域中，微小管道内的 换热和流动正被越来越多的科研人员关注与研究。由于微通道尺寸很小，大约在0.01mm到 10mm范围内，因此造成雷诺数Re=uL/ν通常小于100，式中u表示流体的流速，L表示特征 长度，ν表示流体的运动粘度。这就造成了微小通道内流体流动状态多呈层流流动。

随着微小通道内化工单元操作化学反应以及生化分析研究的深入，微小通道内流体的混 合技术已经成为未来微通道发展中及其重要的一项研究。但是由于微通道内流体流动大多为 层流流动，因此微通道内流体混合无法依靠湍流流动来实现。为解决微小通道内流体的混合 以及其混合的快速性和均匀性等问题，微小混合装置的研究必将获得更为广阔的发展空间。

微小混合装置根据有无动力源可分为静态和动态两种。静态微混合装置主要依靠改变混 合器中微小型管道的自身结构的特征来增加微流体的有效接触面积或者产生涡旋来增强扩散 或者流体的扰动，提高流体的混合效果。目前的静态微混合装置主要包括T型微混合器、混 沌微混合器、并行迭片微混合器、串联迭片微混合器、多交互薄层微混合器等。动态微混合 装置主要通过微型反应器或外加力场来实现分层流体的混合。目前的动态微混合装置主要包 括磁力搅拌型微混合器、超声波促进型微混合器、电场促进型微混合器、脉冲扰动微混合器、 热扰动微混合器等。

对于现有的静态混合装置，其混合流体仅仅依靠分子扩散，因此造成静态混合装置混合 时间过长，混合效果差，且容易引起管道内的堵塞。对于超声波、电场、磁力等驱动方式实 现的动态微混合装置其缺点是驱动电压偏高，与微器件的功率不匹配，生产成本较高，只适 合于有极性或磁性的液体等。因此目前大多数的微混合装置在应用上都受到了很大的约束。

从1981年日本学者Inada等人（S.Inada,Y.Miyasaka,R.Izumi,et al.,A study  on boiling curves in subcooled pool boiling(4th Report;Heat transfer mechanism in  transition boiling),Transaction of JSME47(423),1981,pp.2199–2208）首次在论 文中发表关于汽泡微细化沸腾的研究到现在，关于其的研究还处于比较初级的阶段，但是该 现象所带来的应用前景确是异常广泛的。Suzuki等人（K.Suzuki,T.Kokubu,M.Nakano, H.Kawamura,I.Ueno,H.Shida,O.Ogawa,Enhancement of heat transfer in subcooled  flow boiling with microbubble emission,Experimental Thermal and Fluid Science29 (2005),pp.827–832.）进行了大量流通沸腾条件下的汽泡微细化沸腾实验，而上海交通大 学的郑平和王国栋（G.D.Wang,P.Cheng,Subcooled flow boiling and microbubble  emission boiling phenomena in a partially heated microchannel,International Journal  of Heat and Mass Transfer52,2009,pp.79–91）首次成功实现了微通道内的汽泡微细 化沸腾现象。以上学者们的实验，都为微小通道内利用汽泡微细化沸腾加强分层流体的混合 提供了实验基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用汽泡微细化沸腾实现快速、高效的加强流体混合的利用汽 泡微细化沸腾加强流体混合的微小型混合装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括汽泡微细化沸腾加热部、微小型混合通道、水箱、温度控制箱、泵、流量计、混合 液蓄水箱及废液水箱，所述微小型混合通道为人字形微管道即包括两个入口和一个出口，两 个水箱分别连接微小型混合通道的两个入口，微小型混合通道的一个出口连接混合液蓄水箱 及废液水箱，汽泡微细化沸腾加热部固定在微小型混合通道外，两个水箱与微小型混合通道 的连接管道上设置温度控制箱、泵和流量计。

本发明还可以包括：

1、微小型混合通道的两个入口处设置有热电偶。

2、汽泡微细化沸腾加热部连接有功率控制器。

3、所述汽泡微细化沸腾加热部主要包括加热铜块、保温套、固定套、小型加热器，加热 铜块座在保温套内，保温套座在固定套内，加热铜块顶部用作加热面，而加热铜块下端装有 一定数量的小型加热器为加热表面提供热量，小型加热器的导线通过保温和固定套底部开的 孔引出接到功率控制器上，固定套的凸缘通过螺栓与微小型混合通道连接。

4、保温套与固定套之间有间隙，加热铜块与保温套之间有间隙。

汽泡微细化沸腾发生时，加热面上存在剧烈的微气泡喷射过程，利用由此带来的剧烈的 扰动，来加强微通道内分层流体的混合。微细化沸腾过程中，加热面上会经历聚合汽泡形成 和破裂以及随后的大量微小汽泡喷射等过程，但聚合气泡存在时间极短，微气泡的喷发占主 导地位。为实现混合分层流体的功能，本发明的装置主要包括汽泡微细化沸腾加热部、微小 型混合通道、水箱、温度控制箱、泵、流量计、混合液蓄水箱、废液水箱、功率控制器及热 电偶等。其中汽泡微细化沸腾加热部还包括加热铜块、保温陶瓷套、固定用不锈钢套、小型 加热器等。流体分别经过泵和温度控制箱流入微小型混合通道，汽泡微细化沸腾加热部安装 在微小型混合通道下部，用于加热分层流体。初期混合不均匀的流体排入废液水箱，混合较 为均匀后流体排入混合液蓄水箱。

所述的汽泡微细化沸腾加热部中的加热面材料为纯铜。

所述的汽泡微细化沸腾加热部中加热铜块的直径小于保温陶瓷套内径，保温陶瓷套外径 小于固定用不锈钢套内径，用以减少铜块径向热量损失，并减少保温陶瓷套所承受的应力。

利用微小管道内汽泡微细化沸腾发生时剧烈的汽泡运动加强微管道中流体的混合。

所述的温度控制箱和泵用于控制分别进入微小型混合通道的分层流体的入口温度及入 口质量流量。

所述的入口温度决定了利用汽泡微细化沸腾加强微通道内分层流体的混合的效果，流体 入口温度越低，微小型流体混合器的混合效果越高。

所述的温度控制箱包括加热器和冷却装置用以控制流体温度。

所述的热电偶和流量计配合采集系统与电脑使用实时监测入口温度及入口质量流速，以 确保汽泡微细化沸腾发生，分层流体均匀混合。

所述的微小型混合通道为微小型通道。

汽泡微细化沸腾是指在一定过冷度下发生的一种特殊沸腾过程，在其发生时加热面的热 流密度远远超过临界热流密度（CHF），并伴随汽泡破裂和大量微小汽泡喷射的过程。微小管 道中，利用汽泡微细化沸腾过程中剧烈的汽泡行为，在一定入口条件下可以实现有效、快速 的加强分层的流体的混合。

本发明利用汽泡微细化沸腾，结合流量计、热电偶、计算机及相应的采集软件，可以准 确控制汽泡微细化沸腾的发生，保证流体混合充分，并且保证加热壁面不被烧毁。

本发明克服了静态微型混合装置混合时间过长、混合效果差、流动管道加工复杂和容易 引起管道堵塞的缺陷。对于各种非极性或非磁性流体也有很好的混合效果，克服了磁力搅拌 型微混合器、电场促进型微混合器等微型混合装置只能混合极性和磁性流体的缺陷。

附图说明

图1本发明的系统图；

图2微小型混合通道示意图；

图3汽泡微细化沸腾加热部结构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方案和具体操作过程，但本发明保护范围不限于下属实例。

结合图1和图2，实现利用汽泡微细化沸腾快速、均匀的混合管道中分层流体的系统主 要包括汽泡微细化沸腾加热部1、微小型混合通道2、水箱3、温度控制箱4、泵5、流量计6、 混合液蓄水箱7、废液水箱8、功率控制器9，热电偶10等。温度控制箱4通过电加热器和 冷却水回路调节流体入口水温。微小型混合通道2为人字形微管道，待混合的两种流体分别 从两个入口通入，混合后从出口流出。功率控制器9带有紧急制动以确保装置的安全性。

结合图3，其中汽泡微细化沸腾加热部1主要包括加热铜块1-1、保温陶瓷套1-2、固定 用不锈钢套1-3、小型加热器1-4、等。加热铜块1-1座在保温陶瓷套1-2内，而保温陶瓷套 1-2座在固定用不锈钢套1-3内。加热铜块1-1顶部用作加热面，而加热铜块1-1下端装有 一定数量的小型加热器1-4为加热表面提供热量。小型加热器1-4的导线通过保温陶瓷套和 固定用不锈钢套底部开的孔引出接到功率控制器9上。固定用不锈钢套1-3的凸缘通过螺栓 与微小型混合通道2连接，以固定保温陶瓷套1-2的位置。加热铜块1-1的直径在加工时要 小于保温陶瓷套1-2的内径，而保温陶瓷套1-2的外径要小于固定用不锈钢套1-3的内径， 用以在各层之间形成间隙。保温陶瓷套1-2与固定用不锈钢套1-3之间的间隙的作用是减少 保温陶瓷套径向热损失。加热铜块1-1与保温陶瓷套1-2之间的间隙的作用是减少加热铜块 的径向热损失；并且减少保温陶瓷套1-2所受的应力，避免其工作时破裂。

以两种流体搅浑为例叙述本发明实施流程：首先，汽泡微细化沸腾加热部1和温度控制 箱4处于关闭状态，通向废液水箱8的阀门打开，通向混合液蓄水箱7的阀门关闭。之后， 两种流体分别从水箱3经过泵5通入微小型混合通道2，将从微小型混合通道2流出的流体 排入废液水箱8中。当微小型混合通道2中充满流体时开启温度控制箱4和汽泡微细化沸腾 加热部1，通过调节电加热器加热功率和冷却水回路流量控制通入的流体入口温度，通过功 率控制器9调节加热功率。经过一段时间后，汽泡微细化沸腾现象发生，加热面上周期性的 发生汽泡聚合、破裂和大量微小汽泡喷射的过程。此时两种流体快速混合，之后迅速关闭通 向废液水箱8的阀门，打开通向混合液蓄水箱7的阀门，将混合后的流体通入混合液蓄水箱 7。流量计6和热电偶10与计算机和数据采集系统配合实时监测微小型混合通道2的入口参 数，以确保汽泡微细化沸腾发生的入口条件。混合结束后要先关闭汽泡微细化沸腾加热部1， 再关闭温度控制箱4，避免引起加热面烧毁。

本发明的微小型混合通道结构简单，加工方便，克服了通过改变通道几何形状实现流体 混合等静态微型混合装置中容易出现管道堵塞的缺陷。本发明利用汽泡微细化沸腾现象发生 时加热面上剧烈的汽泡破裂、微小汽泡喷射等过程来实现加强流体混合的目的，且具有混合 时间短，混合效率高的优点，对于雷诺数极低的流体的混合同样适用。由于采用加热方式作 为混合的手段，因此只需被混合的流体在一定温度范围内不发生有害变化即可，对于各种非 极性或非磁性流体的混合同样适用，克服了磁力搅拌型微混合器、电场促进型微混合器等动 态微型混合装置的缺陷。