阅读说明：本技术 一种高效解冻装置 (High-efficient thawing apparatus ) 是由 李艺维 赵京 牛雷 江文峰 谢大为 谢龙 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高效解冻装置,包括蒸发区、汽管路、冷凝区、液管路、储液器、传热工质、支架,所述蒸发区、冷凝区包括若干块翅片板并排拼接设置而成；所述翅片板的上下两端分别连通汽管路、液管路；所述汽管路、液管路为中部设有空腔的空心管体,其管体两端密封；所述翅片板的上下两端分别穿设于汽管路、液管路的条形插孔之内；所述翅片板上设有若干竖直阵列布置微通道,微通道上下两端分别连通汽管路、液管路的空腔；装置整体组成两相流体回路,所述传热工质设于两相流体回路内。本发明的高效解冻装置,其有效导冷面积大、底层传热技术传热能力强,因此导冷能力强,可有效提升解冻板的解冻速度。(The invention provides a high-efficiency unfreezing device which comprises an evaporation area, a steam pipeline, a condensation area, a liquid pipeline, a liquid storage device, a heat transfer working medium and a bracket, wherein the evaporation area and the condensation area comprise a plurality of fin plates which are spliced side by side; the upper end and the lower end of the fin plate are respectively communicated with a steam pipeline and a liquid pipeline; the steam pipeline and the liquid pipeline are hollow pipes with cavities in the middle, and two ends of each pipe are sealed; the upper end and the lower end of the fin plate are respectively arranged in the strip-shaped jacks of the steam pipeline and the liquid pipeline in a penetrating way; the fin plate is provided with a plurality of vertical array-arranged micro-channels, and the upper end and the lower end of each micro-channel are respectively communicated with cavities of a steam pipeline and a liquid pipeline; the device integrally forms a two-phase fluid loop, and the heat transfer working medium is arranged in the two-phase fluid loop. The efficient thawing device has the advantages of large effective cold conduction area and strong heat transfer capacity of the bottom layer heat transfer technology, so that the cold conduction capacity is strong, and the thawing speed of the thawing plate can be effectively increased.)

一种高效解冻装置

技术领域

本发明属于解冻装置技术领域，具体涉及一种高效解冻装置。

背景技术

肉类食品通常通过冷冻的方式进行保鲜，使用前则需要进行解冻。常用的自然解冻速度缓慢、滋生细菌，浸水解冻会营养流失、影响口感，微波解冻则导致外熟内冻、破坏口感。利用解冻板进行快速自然解冻是最健康的解冻方式。

解冻板将冷冻食品冷量传递给环境以实现快速解冻，传递冷量越大，解冻速度越快。解冻速度主要取决于底层传热技术的传热能力以及有效导冷面积。

传统解冻板为纯铝板或填充酒精的低温重力热管，一方面，纯铝板为纯材料导热，导热系数约为200W/(m·K)，而低温重力热管传热能力同样不高；另一方面，底层导热能力差则有效导冷面积小。因此传统解冻板导冷能力有限，直接限制了解冻板的解冻速度。本发明提供一种高效解冻装置，以改善传统挤压铝型材或低温重力热管解冻板导冷能力差的问题。

为便于本申请的工作原理理解，在此详细叙述一种基于温差驱动自循环两相流体回路的高效被动传热技术。高效被动传热技术指具有高传热能力、不需要外部动力(即具有高可靠性)的传热技术。

以相变潜热进行的换热比单相对流系统以显热方式传递的热量大几个数量级，同时不需要外部动力，通常基于相变换热构建高效被动传热技术。

高效被动传热技术具有广泛的工程应用场景。

在热利用场景中，涉及冷量高效利用领域，如半导体制冷器导冷、斯特林制冷机导冷、LNG冷量传输、解冻板等；以及热量高效利用领域，如太阳能高效利用、地源/水源/空气源低品位热能利用、工业余热利用、温差发电、类IH电饭锅内胆等。

在热控制场景中，涉及电子器件散热领域，如5G设备、LED、激光、相控阵雷达T/R组件、CPU(家用电脑/服务器/手机)、IGBT(变频器/光伏逆变器/特高压直流输电)、半导体制冷器、动力电池、质子交换膜燃料电池等；以及密闭空间换热领域，如基站、数据中心、电力机柜、舰艇发动机舱等。

1、系统原理

强化相变换热的根本思路是增加单位时间的相变换热量，即增大相变速率与相变潜热的乘积。

一方面，相变的全周期涵盖气泡成核、气泡成长、气泡脱离、气泡聚合上升整个过程；另一方面，相变速率与相变潜热在物性层面是紧密相关的参数，因此两者乘积的提高需要基于相变全周期的气泡成核与动力学特性综合分析。

2、强化相变速率

2.1气泡成核理论

沸腾过程中的汽泡都是从汽化核心(即微小汽泡)发展而来的。

其中容积沸腾的汽化核心是自发产生的，是由液体分子能量分布不均匀性造成的液体各部分密度在平均值附近起伏所引起的(根据分子运动理论，液体中各个分子的能量是不相等的，并且按照一定的规律分布。分子能量分布的不均匀性使得液体各部分密度在平均值上下起伏，由于能量较大的活化分子的随机聚集，形成了暂时的局部微小的低密度区，这些低密度区被认为是具有一定半径和分子数的微小汽泡，这就是液相中微小的汽饱核心的形成过程)，需要上百度的过热度。

而池内沸腾的汽化核心是外部提供的，是那些加热壁面上的凹坑、细缝、裂穴(首先，在加热表面上的狭缝中的液体所受到的加热的影响比位于平面上同样数量的液体要多得多，容易汽化产生蒸汽；其次，狭缝中容易残留气体，这种残留气体就自然成为产生汽泡的汽化核心)，需要过热度较小。

如图1所示，设有一个容器，底面加热，上面有压力p_s对应t_s，如中间有汽泡，其内压力p_v，温度t_v，周围流体对应p_l、t_l。

汽泡稳定存在的条件是热平衡和力平衡：

(1)热平衡：t_l＝t_v

若t_l＜t_v，则汽泡向流体传热，汽泡中蒸汽凝结，汽泡瓦解；

若t_l＞t_v，则流体向汽泡传热，汽泡中蒸汽膨胀，汽泡长大。

(2)力平衡：p_v-p_l＝2γ/R

若p_v-p_l＜2γ/R，则汽泡两侧压差不足以抵抗表面张力，汽泡中蒸汽凝结，汽泡瓦解；

若p_v-p_l＞2γ/R，则汽泡两侧压差大于表面张力，汽泡中蒸汽膨胀，汽泡长大。

对于力平衡条件，不考虑静压力的情况下，

p_l＝p_s

则有，

是汽液两相饱和线上压强随温度的变化率，对一定的压强它是常数。根据饱和线上压强随温度的变化和饱和状态各参数间的关系，克劳修斯-克拉贝隆提出了如下计算式：

式中，r为饱和温度下的汽化潜热，ρ_v及ρ_l分别是汽泡内蒸汽和液体的密度。当沸腾远离临界点时，ρ_v＜＜ρ_l，则上式化简为：

往上代入可得：

在沸腾情况下，贴壁处液体具有最大过热度，Δt＝t_v-t_s＝t_w-t_s，因此壁面处最先满足汽泡生成条件，且壁面上汽泡核生成时的最小半径：

上式表明，在一定的p和Δt条件下，初生的汽泡核只有当它的半径大于上述值时，他才能继续长大，上式即为初生汽泡核能站住脚的最小半径。

如果凹坑内的汽化核心不能继续生长，则该凹坑为非活化凹坑，即非活化核化点。只有当凹坑内的汽化核心长大到露出凹坑口部，且露出口部的小汽泡的半径(可近似看作为凹坑口部半径)大于或等于给定液体过热度对应的汽泡临界半径时，该汽化核心才会继续长大，这样的凹坑称为活化凹坑，即活化核化点。

临界活化核化点半径r_m＝临界汽化核心R_min＝2γT_s/rρ_vΔt，其中γ为工质的表面张力系数，T_s为当地压力下的饱和温度，r为饱和温度下的汽化潜热，ρ_v是饱和蒸汽密度，Δt＝t_w-t_s为壁面处液体工质的过热度。壁面上的沸腾换热强度(或相变速率)取决于加热壁面上活化核化点的总数，而加热壁面上的凹坑尺寸分布密度近似于起点为原点的正态分布函数N_r，因此活化核化点的总数

即加热壁面大于临界活化核化点半径r_m的凹坑都是活化核化点。因此，增加活化核化点总数N的方式分为两种：一是在加热壁面上形成一层多孔结构，增加正态分布函数N_r的期望和标准差，该种方法可以成倍地增加活化核化点总数N；二是对相变工质进行改性，在一定饱和温度T_s和壁面过热度Δt情况下，减小临界活化核化点半径r_m，该种方法可以几个数量级地增加活化核化点总数N。

2.2气泡动力学理论

汽泡动力学主要研究汽泡在液体中长大和运动的规律。

(1)气泡成长期，在活化核化点上形成的汽化核心，在各种力的作用下汽泡核会继续长大。早期为动力学控制阶段，汽泡长大主要受内部热惯性力和外部表面张力支配，气泡成长速率很高；后期为传热控制阶段，该阶段延续时间较长，气泡成长速率主要受热液体向汽泡传热能力支配，当液体为饱和液体时，气泡成长速率较慢，当液体为过热液体时，气泡成长速率较快(在(2.3)点展开论述)。

(2)气泡脱离期，气泡从加热壁面上的脱离直径D_d越小、脱离频率f越高，则相变速率越快。其中汽泡脱离直径D_d影响因素包括随系统压力的增加而减小、与重力加速度的-1/3次方正比关系，负压(压力低于大气压)情况下主要受惯性力影响等；汽泡脱离频率f存在关系

对于动力学控制阶段，指数n＝2，对于传热控制阶段，指数n＝1/2。因此可以通过对工质进行改性减小汽泡脱离直径D_d，同时还增加了气泡脱离频率f，进而强化相变速率。

(3)气泡聚合上升期，汽泡在上升过程中与液体间的换热可以达到很高的强度(在(2.3)点展开论述)，因此汽泡的有效排出可以提高高热流密度工况下的临界热流密度，汽泡的聚合和上升运动十分复杂，涉及到复杂的气液两相湍流，目前的研究处于初期阶段。但可以设计合理的气泡排出结构以有效排出气泡，进而强化相变速率。

综合(1)、(2)小结分析，基于相变全周期的相变特性，对相变工质进行改性，从物性层面减小临界活化核化点半径r_m，以增加活化核化点总数N；从物性层面减小汽泡脱离直径D_d、增加汽泡脱离频率f，进而强化相变速率。

2.3过热沸腾理论

沸腾过程中，在气泡成长后期的传热控制阶段，气泡成长速率主要受液体向汽泡传热能力支配，液体的过热度决定了气泡的成长速率；在气泡聚合上升阶段，液体的过热度决定了汽泡在上升过程中与液体间的换热强度。因此可以通过将液体工质设计为过热液体的方式强化气泡成长速率。

液体主体温度达到饱和温度的沸腾状态为饱和沸腾，气泡脱离壁面后会在液体中缓慢长大；液体的主体温度低于饱和温度的沸腾状态为过冷沸腾，气泡脱离壁面后会在液体中逐渐消失；液体的主体温度超过饱和温度的沸腾状态为过热沸腾，气泡脱离壁面后会在液体中急剧长大。因此将液体工质设计为过热液体的方式即构建过热沸腾状态。

对于过热壁面上的非均相沸腾，液体工质的温度来源于过热壁面的加热，液体本体难以通过壁面加热的方式获得较大的过热度，因此必须通过降低沸腾界面压力的方式降低工质沸点，在液体工质仅通过壁面加热获取热量的条件下，实现过热沸腾。

为了降低沸腾界面压力，必须构建相变循环。完整的两相流体回路包括蒸发器、汽管路、冷凝器、液管路和储液器，两相流体回路依靠温差驱动进行自循环，循环动力可以是重力或毛细力。

(1)当循环动力是重力时，两相流体回路热力循环的压力-温度图如图2所示。

其中，

1：蒸发器内的蒸发界面；

1→2：蒸汽在蒸发器内继续受热成过热蒸汽——ΔP_eva；

2→3：蒸汽在汽管路内流动——ΔP_vap；

3→4：冷凝器内蒸汽冷却；

4→5：冷凝器内蒸汽冷凝；

5→6：冷凝器内液体过冷——上述三项总计ΔP_con；

6→8：液体在液管内流动——ΔP_liq；

7：储液器；

作为循环动力的重力压差ΔP_g＝总的流动压力损失ΔP_total＝ΔP_eva+ΔP_vap+ΔP_con+ΔP_liq。

(2)当循环动力是毛细力时，两相流体回路热力循环的压力-温度图与上图近似，循环内还要增加毛细芯内的流动压差ΔP_wic。

对应作为循环动力的毛细压差ΔP_c＝总的流动压力损失ΔP_total＝ΔP_eva+ΔP_vap+ΔP_con+ΔP_liq+ΔP_wic，如果蒸发器处于反重力工作条件下，毛细芯对应提供包括总流动阻力ΔP_total和重力压头ΔP_g的循环动力。系统热平衡过程中，蒸发器内弯月面半径自动调整以匹配流体回路的流动阻力，当弯月面半径等于毛细孔径时为系统的传热能力极限。

在任意循环动力条件下，两相流体回路沸腾界面温度为T₁、压力为P₈，此时的沸腾环境为低于饱和压力+饱和温度，即为过热沸腾状态。

在过热沸腾状态中，液体工质为过热液体，在气泡成长后期的传热控制阶段，过热液体向汽泡大量传热，气泡的成长速率较大；在气泡聚合上升阶段，过热液体同样向汽泡大量传热，气泡与液体间的换热强度较大，进而强化了相变速率。

综合(2.1)～(2.3)总结分析，通过对相变工质进行改性，可以从物性层面减小临界活化核化点半径r_m以增加活化核化点总数N，从物性层面减小汽泡脱离直径D_d、增加汽泡脱离频率f，使得传热工质在相变全周期的气泡成核和气泡脱离过程中具有较高的相变速率，进而强化相变速率；通过设计两相流体回路，并通过毛细结构、液池结构、高度差结构实现汽液分离，从而降低蒸发器内的传热工质相变界面压力，进而构建热沸腾状态，使得相变全周期的气泡成长和气泡聚合过程中汽态的传热工质与液态的传热工质换热强度加大，进而强化了相变速率。

3、强化相变潜热

相变潜热指温度不变时单位质量工质在相变过程中所吸收或释放的热量。相变潜热包括克服分子间的相互作用势能做功的内功部分，以及克服大气压力做功的外功两部分。其中内功是主要构成部分，分子间相互作用的势能包括范德华力和氢键等分子间作用力。范德华力是存在于中性分子分子之间或惰性气体原子之间的一种弱碱性的电性吸引力，也叫分子间作用力；氢键存在于F，O，N等电负性大而原子半径较小的非金属原子与氢构成的分子间，存在氢键的分子有HF、H₂O和NH₃等。

在相同温区物状相似的工质其分子间作用力也相差不大，如水、乙醇、丙酮常温常压下均为液体，分子间作用力仅几倍的差距。即适应一定温区的不同工质之间的相变潜热通常只有几倍的差异。

因此，在强化相变换热综合考虑增大相变速率与相变潜热乘积时，重点从可以实现几个数量级程度强化的相变速率入手，兼顾相同温区只有数倍差异的相变潜热。

4、系统组成

结合上述强化相变速率以及强化相变潜热的分析，设计一种基于温差驱动自循环两相流体回路的高效被动传热技术，主要由蒸发器、汽管路、冷凝器、液管路、储液器，以及改性传热工质组成，系统为闭环的密闭回路，该系统相变速率与相变潜热乘积大，相变换热能力强，为理想的高效被动传热技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效解冻装置，以改善传统挤压铝型材或低温重力热管解冻板导冷能力差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高效解冻装置，包括蒸发区(或蒸发器)、汽管路、冷凝区(或冷凝器)、液管路、储液器、传热工质以及支架组成，系统组成两相流体回路。

其中蒸发区与冷凝区设置为同一部件，组成该部件的微通道为竖直阵列布置(采用吹胀板时吹胀板内槽道上下水平竖直布置、中间竖直布置，采用挤压铝型材时为竖直阵列布置)，冷凝区为冷冻食品放置面，冷凝区设置于蒸发区中上部任意位置。储液器与液管路设置为同一部件，当产品存储温度过高时，如果传热工质仍为两相状态，则液态工质体积变大，多余的液态工质存储在储液器中；如果传热工质温度超临界，则储液器起到缓冲降压左右，维持导冷组件处于合理的压力水平。支架使解冻板具有一个3°左右的倾角，用于有效排出解冻水。

蒸发区与冷凝区采用微通道工艺、吹胀工艺或铝型材挤压工艺，整体成型采用钎焊工艺；支架采用铝型材挤压工艺、折边工艺或注塑工艺，支架安装采用铆接、螺接、卡接等工艺。

优选的，所述微通道的截面口径为矩形，其尺寸规格为60mm×2mm(宽度×厚度)、32mm×2mm、25.4mm×2mm等；

蒸发器、汽管路、冷凝器、液管路、储液器各功能部件尺寸及容积需要基于工作温区工质物性以及传热能力技术要求进行匹配设计。

其工作原理为：

本发明底层传热技术为基于温差驱动自循环两相流体回路的高效被动传热技术，通过强化相变换热达到高效传热效果。

强化相变换热的根本思路是增加单位时间的相变换热量，即增大相变速率与相变潜热的乘积。一方面，相变的全周期涵盖气泡成核、气泡成长、气泡脱离、气泡聚合上升整个过程；另一方面，相变速率与相变潜热在物性层面是紧密相关的参数，因此两者乘积的提高需要基于相变全周期的气泡成核与动力学特性综合分析。

通过对相变工质进行改性，从物性层面减小临界活化核化点半径r_m以增加活化核化点总数N，从物性层面减小汽泡脱离直径D_d、增加汽泡脱离频率f，使得传热工质在相变全周期的气泡成核和气泡脱离过程中具有较高的相变速率，进而强化相变速率；通过设计两相流体回路，并通过高度差结构实现汽液分离，从而降低蒸发区内的传热工质相变界面压力，进而构建热沸腾状态，使得相变全周期的气泡成长和气泡聚合过程中汽态的传热工质与液态的传热工质换热强度加大，进而强化了相变速率。

本发明的有益效果为：

一方面，本发明采用微通道工艺、吹胀工艺或铝型材挤压，微通道、吹胀板或铝型材内部流道布满传热工质，有效导冷面积约等于蒸发区全面积，导冷面积大。

另一方面，本发明底层传热技术为基于温差驱动自循环两相流体回路的高效被动传热技术，基于相变全周期的气泡成核与动力学特性综合强化相变速率与相变潜热的乘积。本技术具有大热量/高热流密度传热能力、传热速度快，传热距离远，系统热阻小，可靠性高的特点。传热能力较传统的铝型材或低温重力热管有极大提升。

综上，本发明一种高效解冻装置有效导冷面积大、底层传热技术传热能力强，因此导冷能力强，可有效提升解冻板的解冻速度。

附图说明

图1为背景技术示例图；

图2为背景技术示例图；

图3为本发明的高效解冻装置的结构示意图；

图4为本发明的高效解冻装置的储液器的侧视图；

图5为本发明的高效解冻装置的微通道的截面示意图；

图6为蒸发区与冷凝区采用吹胀工艺制成成品示例图；

图7为蒸发区与冷凝区采用铝型材挤压工艺制成成品示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3-图5所示，一种高效解冻装置，包括蒸发区1、汽管路2、冷凝区3、液管路4、储液器、传热工质6、支架7，

所述蒸发区1、冷凝区3包括若干块翅片板8并排拼接设置而成；

所述翅片板8的上下两端分别连通汽管路2、液管路4；

所述汽管路2、液管路4为中部设有空腔的空心管体，其管体两端密封；所述汽管路2的下底面外壁设有若干条形插孔，所述液管路4的上表面外壁设有若干条形插孔；

所述翅片板8的上下两端分别穿设于汽管路2、液管路4的条形插孔之内；

所述翅片板8上设有若干竖直阵列布置微通道81，微通道81上下两端分别连通汽管路2、液管路4的空腔；

装置整体组成两相流体回路，所述传热工质6设于两相流体回路内(即设于蒸发区1、汽管路2、冷凝区3、液管路4、储液器内)。储液器设于液管路内部。

所述支架7固设于汽管路2之上，优选的，所述支架7为空心管体，所述汽管路2穿设于支架7空心部，支架7边沿与翅片板8顶部铆接；

支架7使解冻板具有一个2°-6°左右的倾角，用于有效排出解冻水，即翅片板8与水平面成2°-6°左右的倾角。

优选的，所述传热工质6包括丙烯、二氟甲烷、乙炔、纳米碳化硅粉；

优选的，所述传热工质由10％～15％丙烯、30％～45％二氟甲烷、40％～55％乙炔、1％～5％纳米碳化硅粉配置而成，或由10份～15份丙烯、30份～45份二氟甲烷、40份～55份乙炔、1份～5份纳米碳化硅粉配置而成。

如图6、图7所示，蒸发区1与冷凝区3采用微通道81工艺、吹胀工艺或铝型材挤压工艺，整体成型采用钎焊工艺；支架7采用铝型材挤压工艺、折边工艺或注塑工艺，支架7安装采用铆接、螺接、卡接等工艺。

优选的，所述微通道81的截面口径为矩形，其尺寸规格为60mm×2mm(宽度×厚度)、32mm×2mm、25.4mm×2mm等。

所述翅片板8为微通道翅片板或吹胀翅片板。

工作过程：

两相流体回路中蒸发区1吸收环境热量，内部液态工质6在相变界面蒸发，汽态工质通过汽管路2传输到冷凝区3，冷凝区3内汽态工质先冷却，再冷凝，最后过冷，液态工质补充给蒸发区1进行持续蒸发。流体回路循环动力为重力，两相流体回路中在温差驱动下工质6沿着蒸发区1→冷凝区3的路径进行自循环流动。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。