专利名称：一种基于超临界流体的微通道混合方法
技术领域：
本发明属于微机电技术领域，涉及一种基于超临界流体的微通道混合方法。
背景技术：
随着人类文明的发展，目前生物、机械、动力以及其他诸多装置和设备都呈现微小化的特征，带来了重量减小、效率提高等优点。微通道是这些微系统中普遍存在的一种装置，而在微通道内达到有效的混合往往是非常必要的，如生物医药工程中的药物混合、微动力系统中燃料的混合等。但由于尺寸的减小，在微尺度通道内重力和流体的对流被抑制，通过流体对流产生的混合效果非常弱小。目前在微通道内增强混合的方法有微米级马达搅拌、微小电磁场扰动、热扰动、机械离心旋转、复杂通道结构自然混合等。然而，这些方法都需要运动或旋转部件，这些微尺 度的部件的制作和安装运行耗时、耗力，而且存在长时间允许不可靠等系列缺点。而且，现有的混合方法要求微通道的尺寸不能太小，对于水力直径小于I毫米以下的微通道，混合效果不理想。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于超临界流体的微通道混合方法，采用壁面加热的方式，利用近临界流体在靠近临界点区间附近较强的热物理性质敏感变化，在微通道的外侧施加一定的热量，从而引起微通道内的超临界流体较强的涡流扰动，实现有效的增强混合。本发明的目的在于提出一种基于超临界流体的微通道混合方法。本发明的基于超临界流体的微通道混合方法，包括以下步骤I)将近临界流体和待混合物送入微通道；2)待流动稳定，对微通道的外壁面进行加热；3)加热后经过时间间隔t，微通道内的流体达到超临界流体状态，发生涡流扰动，实现有效的增强混合。其中，微通道的最小的水力直径为50微米毫米。微通道的材料可以采用铜、不锈钢、铝及合金中的一种。微通道的内壁面为光滑壁面、粗糙壁面或具有一定纹路的壁面。近临界流体在微通道内加热后达到超临界流体状态，在进入微通道之前可以是液态或者气态。近临界流体为水、二氧化碳、氢气和氮气、氨气、氟利昂系列、丙烷和丁烷中的一种。待混合物的状态为气态、液态或固态。在步骤I)中，控制近临界流体和待混合物送入微通道的速度，使其雷诺数在200以下。在步骤2)中，微通道的外壁面加热采用电阻丝加热、电热棒加热、电热片加热、薄膜加热和热浴加热中的一种。对微通道的外壁面加热采用单侧外壁面进行加热或者在相对的两侧外壁面同时加热。微通道的加热方式采用脉冲式周期加热，或者持续加热；脉冲式周期加热的周期间隔时间为5毫秒 5秒；持续加热的持续时间为5毫秒 5秒。施加热量的强度可以随实际尺寸和超临界流体流量、微尺度的待混合物的多少而变化。在步骤3 )中，时间间隔t满足，t = L ，其中，L是微通道的水力直径，Dt是
(Y -1)
热扩散系数，Y是流体的绝热系数。在步骤3)中，微通道内的温度T满足，T/T。的值在O. 8^1. 3之间，其中，T。为流体的临界温度；压强P满足，P/P。的值在O. 8^2之间，其中，P。为流体的临界压强。当近临界流体和微尺度的待混合物一同进入微通道内流动平稳后，在微通道的外壁面施加脉冲式周期加热或持续加热，流体达到超临界流体状态，在这种条件下超临界流 体的边界层内导热特性发生转变，从而引起较强的热扰动效应，该效应随流动进一步发展，产生较强的涡流扰动，带动待混合物充分搅拌，实现了有效的增强混合。本发明的方法仅在外部施加热量产生较强的涡流扰动作用，而不需不借助外力或复杂微通道的设计等方法，即可实现良好的微尺度的混合和搅拌的过程，操作简单可靠，混合效果好；而且，微通道的水力直径可以达到50微米毫米的微小尺度，在微尺度也实现了很好的混合。本发明的优点本发明利用近临界流体的特性，采用脉冲式周期加热或持续加热在微通道的内部产生较强的涡流扰动，带动待混合物充分搅拌，避免了传统方法在设计制造复杂通道、加载微小尺度电磁场等方面的较大花费，同时能够获得比常规流体热扰动强度更高的混合和搅拌效果。
图1为本发明的基于超临界流体的微通道混合方法的一个实施例的装置的结构示意图；图2为根据本发明的基于超临界流体的微通道混合方法的一个实施例的微通道的混合的流速分布图。
具体实施例方式下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。如图1所示，本实施例的基于超临界流体的微通道混合方法的装置包括入口通道11、预热器12、流体控制阀门13、微通道14、加热薄膜15和出口通道16构成。在本实施例中，近临界流体采用二氧化碳；微通道的材料采用铜；加热方式采用薄膜加热，加热薄膜15紧贴在微通道14的相对的两侧外壁面上；入口通道11和出口通道16采用不锈钢材质。近临界二氧化碳流体的温度应处于300ΙΓ350Κ范围内，压力应处于7. 38MPa以上。本实施例的具体如下参数近临界二氧化碳流体在入口通道的温度为304. 2K，压力为7. 5MPa，入口通道的雷诺数为26. 8 ；采用持续加热，加热的热流密度为10000W/m2，持续时间为5秒；
微通道的长度为5cm，截面的水力直径为333μπι，其中，宽度为1mm，高度为200 μ m。本实施例的基于超临界流体的微通道混合方法，包括以下步骤I)将近临界二氧化碳流体和待混合物送入微通道，控制流速，入口通道的雷诺数为 26. 8 ;2)待流动稳定，采用薄膜加热进行持续加热，对微通道相对的两侧外壁面同时加热，持续时间为5秒；3)加热后经过时间间隔O.1s,达到超临界流体状态，发生涡流扰动，实现有效的增
强混合。 本实施例的装置经测试，出口通道的超临界流体的温度为310K，压力变化较小。随着时间变化，呈现稳定趋势。整个混合过程分为两个阶段加热前静止期和涡流扰动期。如图2所示，在涡流扰动期，微通道的内部产生了较强的涡流扰动。相应的涡呈圆形，扩展至微通道的内壁面为止；涡动以微通道的高度200 μ m为直径，在微通道的长度方向上周期出现；涡流最大流速可达到为O. lm/s以上，可以实现充分的混合搅拌。最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种微通道混合方法，其特征在于，所述混合方法，包括以下步骤1)将近临界流体和待混合物送入微通道；2)待流动稳定，对微通道的外壁面进行加热；3)加热后经过时间间隔t，微通道内的流体达到超临界流体状态，发生涡流扰动，实现有效的增强混合。
2.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，所述微通道的材料采用铜、不锈钢、铝及合金中的一种；所述微通道的内壁面为光滑壁面、粗糙壁面或具有一定纹路的壁面。
3.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，所述近临界流体在微通道内加热后达到超临界流体状态，在进入微通道之前可以是液态或者气态；近临界流体为水、二氧化碳、 氢气和氮气、氨气、氟利昂系列、丙烧和丁烧中的一种。
4.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，所述待混合物的状态为气态、液态或固态。
5.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，在步骤I)中，控制近临界流体和待混合物送入微通道的速度，使其雷诺数在200以下。
6.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，在步骤2)中，微通道的外壁面加热采用电阻丝加热、电热棒加热、电热片加热、薄膜加热和热浴加热中的一种。
7.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，在步骤2)中，对微通道的外壁面加热采用单侧外壁面进行加热或者在相对的两侧外壁面同时加热；微通道的加热方式采用脉冲式周期加热，或者持续加热；脉冲式周期加热的周期间隔时间为5毫秒 5秒；持续加热的持续时间为5毫秒 5秒。
8.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，在步骤3)中，时间间隔t满足，t= D (^_])2，其中，L是微通道的水力直径，Dt是热扩散系数，Y是流体的绝热系数。
9.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，在步骤3)中，微通道内的温度T满足， T/T。的值在O. 8^1. 3之间，其中，Tc为流体的临界温度；压强P满足，P/P。的值在O. 8^2之间，其中，P。为流体的临界压强。
10.如权利要求1所述的混合方法，其特征在于，微通道的最小的水力直径为50微米毫米。
全文摘要
本发明公开了一种基于超临界流体的微通道混合方法。本发明采用将近临界流体和待混合物送入微通道；然后对微通道单侧外壁面进行加热或者在相对的两侧外壁面同时加热；微通道内的流体达到超临界流体状态，发生涡流扰动，实现有效的增强混合。本发明的方法仅在外部施加热量产生较强的涡流扰动作用，而不需不借助外力或复杂微通道的设计等方法，即可实现良好的微尺度的混合和搅拌的过程，操作简单可靠，混合效果好；而且，采用脉冲式周期加热或持续加热在微通道的内部产生较强的涡流扰动，带动待混合物充分搅拌，避免了传统方法在设计制造复杂通道、加载微小尺度电磁场等方面的较大花费，同时能够获得比常规流体热扰动强度更高的混合和搅拌效果。
文档编号B01F3/00GK103007792SQ20121055730
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者张信荣, 陈林 申请人:北京大学