液體或液化氣體汽化系統的製作方法

2023-06-05 06:19:56 2

專利名稱：液體或液化氣體汽化系統的製作方法
液體或液化氣體汽化系統
本發明涉及液體或液化氣體的汽化。存在許多其中液體或液化氣體的 汽化是功能系統工作所必需的應用。
內燃發動機的功能操作依賴於作為基本要求的液體或液化氣體的汽 化。內燃發動機中燃料輸送系統的主要問題是例如活塞頂或汽缸壁的各種
內部表面的燃料碰撞(fuel impingement),燃料碰撞對可用期限內的汽化 過程是有害的。這通常導致燃料的不完全燃燒，從而造成低效率、更高的 排放和菸灰生成。應用於內燃發動機的本說明書的發明將解決這些問題。
在最寬泛的方面中，提供了熱表面，並迫使液體保持與該表面熱接觸， 直到液體汽化。
另一方面，提供了熱表面，並藉助於連著熱表面的限制裝置 (constraining device )迫4吏液體保持與表面熱4妻觸，直到液體汽化。
另一方面，提供了熱表面，並藉助於配合連著熱表面的限制裝置將加 速度作用到液體來迫使液體保持與表面熱接觸，直到液體汽化。
在一種形式中，這通過將軸向同心的V槽置於汽缸體(housing cylinder)中、使表面保持足夠高的溫度並且以給定的速度將液體輸送到V 槽中使得液體產生切向速度來實現。切向速度引起徑向慣性加速度(radial inertial acceleration )，徑向慣性加速度與V槽結合抑制了液體擴散以及小 滴形成，並迫使液體保持與熱表面物理接觸。
如果液體撞擊在溫度等於或低於液體飽和溫度的表面上，那麼液體和 表面之間的接觸不受界面處蒸汽生成的妨礙。如果運用了表面溫度和液體 飽和溫度之間的差，則在表面處生成蒸汽，從而破壞液體-表面接觸界面(liquid to surface contact interface )。在該溫度差乂人零遞增地增加時，蒸汽 生成也增加，蒸汽生成最終變得如此強勁，以至於發生了對液體-表面接觸
界面的徹底-皮壞。
如果液體撞擊在溫度恰當地大於液體飽和溫度的表面上，那麼由液體 來潤溼表面則變得不可能。這造成低傳熱率以及因此的低蒸汽生成率 (vapour production rate)。對於在一個大氣壓下浸入7K中的熱表面，該未 潤溼溫度差大約為120攝氏度，並被稱為萊頓弗羅斯特點(Leidenfrost point )。可觀察到一直到萊頓弗羅斯特點的各種沸騰機制和對應的傳熱率。 在萊頓弗羅斯特點以上，不發生表面和水之間的接觸，熱憑藉傳導傳遞通 過蒸汽膜。在萊頓弗羅斯特點或在萊頓弗羅斯特點以上，表面未被液體潤 溼。在這樣的系統中， 一直到萊頓弗羅斯特點，最大傳熱率以及因此的最 大蒸汽生成率才在大約30攝氏度的溫度差下發生於核沸騰範圍(nucleate boiling regime)內。在萊頓弗羅斯特點以上，溫度差將需要大於1000攝氏 度，以等於在核沸騰範圍內生成的最大傳熱率。多數其它液體展現了與水 類似的現象，而水在此被用作實例。
在撞擊在熱表面上的 一 定體積的液體沒有如撞擊在表面上的 一 個液 滴或多個液滴一樣浸沒表面的系統中，可觀察到相同的現象。傳熱率在適 中的溫度差中最大，並在升高的溫度差中減小，直到遇到非常大的溫度差。 如果液滴^皮置於其中表面溫度和形成液滴的液體的飽和溫度之間的溫度 差接近萊頓弗羅斯特點的表面上，那麼該液滴將在保持其近似球狀形狀的 同時由蒸汽膜支撐，並緩慢地沐騰(如萊頓弗羅斯特在1756年所觀察到 的)。
理想地，^求體以一點接觸表面，而對於在作用力下可變形的液體液滴 來說，接觸區域將大於一點，但是如果潤溼現象能夠繼續，則接觸區域要 比相同體積的液體的潤溼區域小得多。
要增加表面的傳熱率以及因此增加在提高的溫度差中液體的汽化，則 必須迫使液體到表面上。
通過將液體在形成了例如圓柱形形狀的幾何形狀的熱表面上置於切 向運動中，可產生液體的徑向慣性加速度(離心加速度)。徑向加速度引起由流體作用到表面上的力，且反之亦然。徑向加速度的瞬間量值是任意 時刻的切向速度和曲率半徑的函悽l。
如果在彎曲表面上將具有在重力場中正好可維持的幾何形狀的液體 液滴以切向速度置於切向運動中，這使徑向加速度大於重力加速度，且當 表面溫度和液體溫度差處於或大於萊頓弗羅斯特點時，液滴將分裂成數個 更小的液滴。所作用的徑向加速度越大，更小的液滴的數量也越多。如果 一股液體在類似表面上置於切向運動中，則出現相同的結果。液滴的尺寸 實質上為徑向加速度、液體表面張力和液體密度的函數。表面的表面精加 工也將影響液滴的尺寸。
任何尺寸的液滴都將由蒸汽膜支撐，且因此傳熱將處於最小，除非採 用大溫度差。因此，必須抑制液滴的發展，並允許蒸汽在其生成的同時被 抽走，而不攜帶任何液體。將徑向加速度作用到液體的彎曲表面可為能阻 止液體軸向散布，即也將軸向加速度作用在液體上的任何幾何形狀。同心 V槽就是一個實例。這樣的構型迫使流體以三個正交方向回到自身上，/人 而抑制液滴形成，並確保與熱表面物理接觸。所作用的徑向慣性加速度在
液體內產生徑向壓力、環狀壓力(loop pressure),而V槽的側面產生相對 的軸向壓力。液體不可能/人槽中離開，液體,皮保持在加速井(acceleration well)、集液器內。蒸汽可在壓力減小的方向浮起通過液體，即朝表面曲率 半徑的原點，並且也沿槽壁抽送。 一旦蒸汽離開液體，蒸汽就自由地膨脹， 或被周圍氣體帶走。
實驗顯示，與用於典型的機動車發動機的化學計量相當的大量碳氬化 合物可在非常短的時間段內被汽化。該時間段為用於機動車發動機的功能 持續時間，從而使本發明適合於作為 一種應用而用於機動車。
這些實驗顯示，數十兆瓦每平方米的熱通量可以從熱表面進入液體。
未潤溼表面可按與潤溼表面相同的方式使用。表面精加工可為從極光 滑到任何適當的精加工，並可具有基底材料(base material)或塗覆有例如 Teflon的適當材4+。
可通過任何適當的裝置將液體輸送到本發明，並且液體可為連續的或 間歇的，且可包括一次或多次間歇的液體噴射。在本說明書中，使用V槽來描述加速井或集液器的幾何形狀，但是應 理解，將徑向和軸向加速度作用到液體的彎曲表面也可為能夠產生加速井
或集液器的任何幾何形狀。可根據汽化載荷(vaporization load)採用一個 或多個加速井。槽或表面可為同心圓或其它形式。
將徑向和軸向加速度作用到液體並產生加速井或集液器的V槽或彎曲 表面可具有螺旋路徑(helical path)或軌跡或者任何其它適當的路徑或軌 跡，可為開放式的或閉合式的，具有進或出的引導件(lead)或可光滑地 或陡峭'地開始或收尾。V槽或彎曲表面的深度可為任何適當的深度。
加速井或集液器可設置成在熱表面上形成凸起輪廓。
加速井或集液器的曲率半徑可沿加速井或集液器的路徑或軌跡為常 量或變量、連續或分段、小的或大的。
表面的幾何形狀很可能在強迫的形狀改變(enforced shape change )中
隨時間變化，很可能按要求具有強加在表面上的不連續形狀，並可按溫度 的變化來改變形狀。
可由任何適當的裝置來加熱熱表面。
表面和液體之間的溫度差無需接近或大於萊頓弗羅斯特點的溫度差。
加速井可很好地用於將液體限制於系統中的一些預定位置，液體的擴 散分子在這些位置進入靜止氣體或活動氣體。
所作用的徑向加速度與未潤溼表面結合將產生非常高程度的液體霧 化。如果使用了潤溼表面，則必須利用萊頓弗羅斯特現象，即，使表面潤 溼現象徹底停止。小直徑的圓柱形表面與由將燃料噴射到圓柱形表面上引 起的適中切向速度結合將產生多個微米直徑的小滴。恰當地形成的槽或導 槽將使切向速度轉換成軸向速度或者切向速度和軸向速度的矢量和。這樣 的裝置將用於多種應用，例如應用於機動車發動機的進氣，或作為應用的 一個實例應用於直噴發動機的汽缸內。
使用表面的未潤溼屬性可有利於將液體輸送到例如空氣的氣體流內。 如果通過噴射或其它方法將液體輸送於或進入設置在包含氣體的管道壁 中的特定幾何形狀中，且形狀是未潤溼的或潤溼的，但升高到萊頓弗羅斯特點以上的溫度，那麼液體將不會潤溼表面，並在由特定幾何形狀的表面
的方位所支配的方向反射。例如，沿倒置的墨西哥帽(Mexican hat)狀形 狀的迴轉軸線以足夠的速度噴射到該形狀內的液體將在其從該形狀的外 部邊緣釋放的同時具有反射回空氣流內的霧化燃料。形狀的幾何構型可為 將液體反射到氣體流內的任何構型，從而允許氣體流帶走液體。所述形狀 可為 一個或多個、餘反射(co-reflective )或指向任何適當的方向。這可作 為應用的 一個實例用於內燃發動機的燃料系統。
使用表面的未潤溼屬性可有利於將液體輸送到例如空氣的氣體流內。 如果通過噴射或其它方法來輸送液體，以在具有對稱的或其它形式的多邊 形截面，或帶有凸起或肋的圓形截面的管道的未潤溼的壁上以給定的切向 速度運動，那麼在液體遇到這些反射表面時，全部或一些液體可從角落或 凸起或肋反射到氣體流內。如果在任何一次反射中僅有一部分液體反射， 那麼在下 一次反射中另 一部分將反射。這可作為應用的 一個實例用於內燃 發動機的燃料系統。
使用表面的未潤溼屬性可有利於將液體輸送到例如空氣的氣體流內。 如果液體通過噴射或其它方法輸送到例如洞的足夠熱的空腔內，那麼在生
成蒸汽的同時，液體將被推出洞外，並進入氣體流。這可作為應用的一個 實例用於內燃發動才幾的燃料系統。
儘管已經在本說明書中描述了本發明的具體形式，但是將理解，傳熱 或工程領域的技術人員可在這些方面中的一些中適當地做出變化，而不偏 離本發明的主旨和範圍。
權利要求
1. 一種汽化設備，其具有熱表面和限制汽化流體保持與所述表面熱接觸的裝置。
2. —種汽化設備，其具有熱表面，其中限制液體的裝置通過將加速 度作用在液體上來進4亍。
3. —種汽化設備，其具有熱表面，其中限制液體的裝置通過將徑向 加速度作用在液體上來進行。
4. 一種汽化設備，其具有熱表面，其中限制液體的裝置通過將軸向 加速度作用在液體上來進行。
5. —種汽化設備，其具有熱表面，其中限制液體的裝置通過將組合 的徑向加速度和軸向加速度作用在液體上來進行。
6. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為彎曲表面。
7. —種汽化設備，其具有熱表面，所述熱表面具有設置於其中的一 個力口速井或多個加速井。
8. —種汽化設備，其具有熱表面，所述熱表面具有設置於所述表面 上的一個加速井或多個加速井。
9. 如權利要求7和8所述的汽化設備，其中所述表面加速井或多個 表面加速井限制液體保持與所述表面熱接觸。
10. 如權利要求9所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設 置成幾何槽的形式。
11. 如權利要求9所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設 置成V形槽的形式。
12. 如權利要求9所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設 置成U形槽的形式。
13. 如權利要求9所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設 置成方形邊緣的U形槽的形式。
14. 一種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為具有恆定的曲 率半徑的彎曲表面。
15. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為具有變化的曲 率半徑的彎曲表面。
16. 如權利要求11所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井i殳 置成同心的幾何槽的形式。
17. 如權利要求11所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設 置成偏心的幾何槽的形式。
18. 如權利要求ll所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設置成幾何槽的形式，且其中所述槽遵循界定的路徑或軌跡。
19. 如權利要求11所述的汽化設備，其中所述加速井或多個加速井設置成幾何槽的形式，且其中所述槽遵循螺旋路徑或軌跡。
20. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為設置用於所述 加速井或多個加速井的幾何槽形式的彎曲表面。
21. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為設置用於所述 加速井或多個加速井的V形槽形式的彎曲表面。
22. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為設置用於所述 加速井或多個加速井的U形槽形式的彎曲表面。
23. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為設置用於所述 加速井或多個加速井的方形邊緣的U形槽形式的彎曲表面。
24. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為具有恆定的曲 率半徑的彎曲表面。
25. —種汽化設備，其具有熱表面，其中所述熱表面為具有變化的曲 率半徑的彎曲表面。
26. 如權利要求1所述的汽化設備，其中所述表面對於汽化液體為未 潤溼的。
27. 如權利要求1所述的汽化設備，其中由於所述表面和液體之間的 溫度差，所述表面對於汽化液體為未潤溼的。
28. 如權利要求1所述的汽化設備，其中由於所述表面和液體之間的 溫度差在萊頓弗羅斯特點以上，所述表面對於汽化液體為未潤溼的。
29. —種汽化設備，其中液體由加速井限制在給定的空間位置中，使得擴散的液體蒸汽在所述位置處成為氣體。
全文摘要
本發明涉及離開熱表面的液體或液化氣體的汽化。通過將加速度作用在液體上，並將液體輸送到熱表面上或熱表面內的加速井或集液器內，本發明迫使液體保持與熱表面熱接觸。
文檔編號F02M31/18GK101449049SQ200780018424
公開日2009年6月3日 申請日期2007年3月20日 優先權日2006年3月21日
發明者麥可·派屈克·狄克遜 申請人:麥可·派屈克·狄克遜