JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

أجريت تجارب نقل الحرارة الغليان تجمع خارج لمراقبة آثار أنماط القابلة للبلل الهجينة على معامل نقل الحرارة (HTC). المعلمات التحقيق هي عدد interlines والتوجه نمط من سطح قابل للبلل تعديلها.

Abstract

In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern. Hybrid wettable patterns were produced by coating superhydrophilic SiO2 on a masked, hydrophobic, cylindrical copper surface. Using de-ionized (DI) water as the working fluid, pool-boiling heat-transfer studies were conducted on the different surface-treated copper cylinders of a 25-mm diameter and a 40-mm length. The experimental results showed that the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern influenced the wall superheat and the HTC. By increasing the number of interlines, the HTC was enhanced when compared to the plain surface. Images obtained from the charge-coupled device (CCD) camera indicated that more bubbles formed on the interlines as compared to other parts. The hybrid wettable pattern with the lowermost section being hydrophobic gave the best heat-transfer coefficient (HTC). The experimental results indicated that the bubble dynamics of the surface is an important factor that determines the nucleate boiling.

Introduction

نظام مكتفية تدفق الحرارة عالية وتوفير التبريد في حدود 10-10 مايو W / سم 2 مطلوب في المجالات الناشئة من الأجهزة الإلكترونية، والدفاع، وإلكترونيات الطيران، وتطوير جهاز النووية. التبريد التقليدية مع الهواء غير كافية لهذه التطبيقات نظرا لمعامل نقل الحرارة المنخفضة (HTC) لكل الظروف free- والقسري الحراري. تقنيات التبريد القائم على مرحلة تغيير، مثل الغليان تجمع وتدفق المغلي، هي جيدة بما فيه الكفاية لإزالة تدفقات ارتفاع الحرارة في حدود 10 - 1000 W / سم 2 1. وبما أن عملية نقل الحرارة على مرحلتين هو متساوي الحرارة، ودرجة حرارة جهاز تبريد ثابتة تقريبا على سطحه. نظرا لاختلاف يذكر في درجات الحرارة على طول السطح، والصدمة الحرارية من الجهاز يمكن القضاء عليها. ومع ذلك، فإن المعلمة الحد الرئيسية في الغليان نقل الحرارة هي الحرارة تدفق النقدي (CHF)، الذي يسبب ارتفاع غير طبيعي في درجة حرارة 2 .

في العقود القليلة الماضية، وقد تم تنفيذ بحوث واسعة لتحسين CHF باستخدام تعديل السطح، nanofluids، وسطح الطلاء 3، 4، 5، 6، 7، 8، 9، 10، 11. ومن بين أساليب مختلفة، تم العثور على مواد الطلاء ليكون أفضل طريقة لتحسين CHF بسبب الزيادة الكبيرة في مساحة السطح. مواد الطلاء بصورة عامة على زيادة نقل الحرارة عن طريق عمل الزعانف، والآثار المسامية، وبلل سطح 12. بلل سطح يلعب دورا هاما في الغليان نقل الحرارة. وتشير دراسات سابقة أنه في ظروف الحرارة تدفق أقل، والسطح مسعور يظهر HTC أفضل نظرا لالتنوي في وقت مبكر. ومع ذلك، فيارتفاع تدفق الحرارة، ومفرزة من الفقاعات تشكلت بطيئة نظرا لتقارب منخفضة من المياه نحو السطح. وهذا يؤدي إلى التحام فقاعة ويؤدي إلى انخفاض CHF 3. من ناحية أخرى، على سطح ماء ينتج CHF أعلى، بسبب انفصال سريع من الفقاعات تشكلت، لكنه يعطي HTC أقل في تدفقات درجة حرارة منخفضة، وذلك بسبب التأخير في فقاعة التنوي 13.

تظهر هياكل هجينة تعزيز ملحوظا في الغليان نقل الحرارة لجميع تدفقات الحرارة بسبب التأثير المشترك لللا مائية وhydrophilicity 14 و 15 و 16. هسو وآخرون. أنتج سطح قابل للبلل غير متجانسة بواسطة طلاء superhydrophilic سي النانوية على سطح النحاس ملثمين. حققوا نسب بلل مختلفة من خلال تغيير الوقت الطلاء. بداية الغليان وقع في وقت سابق على أسطح غير متجانسة بالمقارنة مع حسطح omogeneous، مما ادى الى تراجع كبير في جدار حمى 17. جو وآخرون. أجريت nucleate المغلي الدراسات نقل الحرارة على الأسطح ترطيب ماء، مسعور، وغير متجانسة. وتألفت لسطح التبول غير متجانسة من النقاط منقوشة مسعور على سطح ماء. لأنهم وصلوا HTCs أعلى ونفس CHF لسطح متجانسة بالمقارنة مع سطح ماء. تحسن في الغليان نقل الحرارة يعتمد بشكل مباشر على عدد من النقاط على السطح وعلى الظروف الغليان 18.

في هذه الدراسة، تم إنتاج المحوري أنماط القابلة للبلل الهجينة على سطح النحاس اسطوانية باستخدام تقنية تراجع الطلاء. أجريت السباحة المغلي الدراسات نقل الحرارة لتحديد الآثار المترتبة على عدد من interlines وتوجه نمط قابل للبلل الهجين. وقد تم تحليل الغليان تدفق الحرارة، HTC، وديناميات فقاعة لركائز كل المغلفة، ونحنإعادة مقارنة مع الركيزة النحاس.

Protocol

1. إعداد السطوح التعديل

  1. يدويا تلميع قطعة اختبار (جوفاء اسطوانة نحاسية بطول 40 ملم (ل)، يبلغ قطره الخارجي 25 ملم (د س)، ويبلغ قطرها الداخلي 18 ملم (د ط)) لمدة 15 دقيقة باستخدام الصنفرة # 2000 الورق. تنظيف سطح مصقول من قبل الشطف مع الأسيتون يليه الماء DI.
  2. ضع قطعة اختبار مصقول في الفرن لمدة 2 ساعة في درجة حرارة ثابتة من 120 ° C.
  3. إعداد superhydrophilic شافي 2 جسيمات متناهية الصغر حل باستخدام الخطوات التالية.
    1. يعد حل A عن طريق خلط 1: 4 نسب الرحى من سيلاني tetraethoxy والمياه DI. إضافة 2 قطرات من 37٪ حمض الهيدروكلوريك المركز إلى حل ألف ويحرك المزيج لمدة 2 ساعة.
    2. جعل حل B عن طريق خلط نسبة 1: 3 الرحى من الايثانول والماء DI.
    3. خلط 1 مل من محلول ألف إلى 80 مل من محلول B ويقلب لمدة 2 ساعة.
    4. إضافة 32 غرام من شافي 2 النانوية (قطرها 40 نانومتر) إلى المحاليل استعدادنشوئها ويقلب لمدة 1 ساعة.
  4. تزج قطعة اختبار في حل استعداد باستخدام جهاز تراجع طلاء على سرعة 5 مم / دقيقة. الحفاظ على قطعة اختبار المغلفة في الفرن على 120 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
  5. إعداد 2 و 4 و 8 أنماط هجينة interlined مع توجهات مختلفة على طول الاتجاه المحوري (كما هو موضح في الشكل رقم 1) باستخدام الخطوات التالية.
    1. قناع المنطقة المراد غير المصقول باستخدام الشريط العازل وفقا لعدد المطلوب من interlines مع التوجه السليم (لسطح 2-وتنسيقها في اتجاه 0 درجة، وضبط interlines في المركز والمنطقة superhydrophilic (المنطقة لتكون مغلفة) على الجانب العلوي. من ناحية أخرى، لتوجيه 90 درجة، وضبط الناقلات واحد في الأعلى وآخر في الأسفل ولتوجيه 180 درجة، وضبط منطقة superhydrophilic في الأسفل وinterlines في المركز. وبالمثل، وضبط موقف 4 و 8 أسطح interlined مع مختلف سrientation كما هو مبين في الشكل 1).
    2. تزج قطعة اختبار ملثمين في حل استعداد باستخدام جهاز تراجع طلاء، وتراجع في سرعة غمس عالية وارتفاع في سرعة بطيئة من 5 مم / دقيقة. الحفاظ على قطعة اختبار المغلفة في الفرن على 120 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
    3. إزالة الشريط العازل من منطقة ملثمين الحصول على العدد المطلوب من interlines مع التوجه السليم.

figure-protocol-2815
الشكل 1. اختيار الأسطح المختلفة من خلال Interlined. (أ) تخطيطي الأسطح المختلفة من خلال interlined مع توجهات مختلفة. نسبة مساحة سطح النحاس العادي وسطح superhydrophilic هي 1: 1 في جميع الظروف. معايير الاختيار (ب) التوجه. (ج) عرض متساوي القياس من 2 الناقلات سطح الموجهة 0 درجة زاوية. تحديد اتجاه كما الزاوية بين خط الأساس وطلاءخط الوسط من أول نمط ماء من الجانب العلوي، ويتم قياسها في اتجاه عقارب الساعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. إجراء التجريبية

  1. استخدام الشريط العازل، وإصلاح أنبوب زجاجي واحد في كل قاعدة دائرية من قطعة الاختبار المغلفة.
  2. إصلاح أفقيا هذه الجمعية إلى غرفة 140- 140- س × 160 ملم (كما هو موضح في الشكل 2) باستخدام معجون السيليكون وفقا للموقف المطلوب من interlines.
  3. ضع-W 550، قطرها 18 مم، و 40 مم طويلة سخان خرطوشة مع طبقة رقيقة من معجون الحراري على المنطقة الدائرية في حفرة من قطعة الاختبار.
  4. ربط سخان خرطوشة إلى تيار مباشر (DC) وحدة امدادات الطاقة.
  5. مكان T-نوع المزدوجات الحرارية في 8 متباعدة بالتساوي ثقوب 1 ملم، مع أعماق بديلة من 5 ملم و 7 ملم كما هو مبين في الشكل3 ربطها مسجل بيانات.
  6. إدراج وإصلاح أجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة (RTD)، مكثف ارتداد، وسخان مساعدة في المساحات المتوفرة على الغطاء العلوي. اصلاحها على الحجرة المغلي.
  7. ملء 1400 مل من الماء DI في غرفة الغليان بركة.
  8. ربط المكثف الراجع إلى غرفة التبريد التي يتم الاحتفاظ في 5 ° C.
  9. قبل التجربة، وتغلي بقوة الماء DI في غرفة الغليان تجمع لمدة 30 دقيقة باستخدام سخان مساعدة.
  10. الحفاظ على المياه DI في حالة غليان المشبعة باستخدام سخان مساعدة. وفي وقت لاحق، والتبديل على إمدادات الطاقة وتعطي تيار الأولي من 0.1 A.
  11. الانتظار لمدة 2 دقيقة من أجل الوصول إلى حالة مستقرة. ثم، زيادة التيار الكهربائي مع الزيادات من 0.3 A.
  12. سجل درجة الحرارة في كل مدخلات الطاقة باستخدام مسجل بيانات. تستمر التجربة حتى يتم التوصل إلى تيار أقصى من 4 A. وفي الوقت نفسه، سجل ديناميات فقاعة و أو كل مدخلات الطاقة باستخدام كاميرا CCD وضعت أمام غرفة الغليان المجمع، الذي يركز على قطعة الاختبار.

figure-protocol-5711
الشكل 2. تخطيطي للغرفة بركة الغليان. ترتبط أنابيب الزجاج لكلا الجانبين من اسطوانة النحاس جوفاء مع معجون السيليكون. تم إصلاح هذه إلى غرفة الغليان تجمع مع معجون السيليكون. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-6183
الرقم 3. الحرارية لتحديد المواقع. توضع 8 المزدوجات الحرارية داخل الثقوب مم 1 محيطي في قطعة الاختبار مكان في قطر 20 مم. يتم إصلاح أعماق بديلة ثقوب قطرها 1MM في 5 ملم و 7 ملم على التوالي./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. الحد من البيانات

  1. حساب المدخلات الحرارة (Q) باستخدام المعادلة التالية 19
    Q = I V (1)
    ملاحظة: أنا وV هي المدخلات الحالية في أمبير والجهد في فولت على التوالي.
  2. تقدير فقدان الحرارة (خسارة Q) من السطوح الجانبين باستخدام صيغة 19:
    figure-protocol-7104 (2)
    ملاحظة: ك هو التوصيل الحراري للنحاس. T 7 ملم وT 5 مم هي متوسط قيم درجة الحرارة في أعماق 7 ملم و 5 ملم، على التوالي؛ Δx (2 ملم) هو الفرق بين أعماق. و
    figure-protocol-7360 هي مساحة المقطع العرضي للاختبار ص IECE.
  3. تحديد التدفق الحراري (ف '') باستخدام الصيغة التالية 19:
    figure-protocol-7620 (3)
    ملاحظة: A = π د س ل هو المجال كفافي من قطعة الاختبار.
  4. حساب حمى الجدار (باستخدام المعادلة التالية 19:
    figure-protocol-7900 (4)
    ملاحظة: T م هو متوسط T 7 ملم وT 5 ملم، وطول قطعة الاختبار، س ص (12.5 مم) دائرة نصف قطرها الخارجي للقطعة الاختبار، دائرة نصف قطرها من قطعة الاختبار ص م (10 ملم) في قياس الثقوب، وT جلس هو على درجة حرارة تشبع المياه DI كما هو مبين في الشكل (4).
  5. حساب HTC (α) باستخدام الصيغة التالية 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg "/> (5)

figure-protocol-8545
الشكل 4. رسم تخطيطي للتحليل درجة الحرارة ستريت. يتم احتساب درجة حرارة الجدار باستخدام متوسط ​​درجة الحرارة المقاسة والمقاومة الحرارية أسطواني المعروفة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

النتائج

وأجريت التجارب نقل الحرارة الغليان تجمع على سطح أسطواني قابل للبلل الهجين باستخدام الإعداد التجريبية التي هو مبين في الشكل (5) التخطيطي. وأوضح الإجراء التجريبي الغليان تجمع في الخطوة 2 من قسم البروتوكول ونفذت بنجاح أثناء التحقيق في تأثير ع?...

Discussion

The main goal of this investigation was to develop a pool-boiling heat sink for high heat dissipation applications, such as nuclear reactors, boilers, and heat pipes, by introducing the hybrid wettable surface, as described in the protocol section. These surfaces can produce better pool-boiling performances than homogeneous wettable surfaces (hydrophilic and hydrophobic). The improvement in the boiling heat-transfer performance is due to an increase in active nucleation sites and the easy detachment of the formed bubbles...

Disclosures

The authors declare that they have no competing financial interests.

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge funding support from the Ministry of Science and Technology, MOST (project numbers: MOST 104-2218-E-002 -004, MOST 105-2218-E-002-019, MOST 105-2221-E-002 -107 -MY3, MOST 102-2221-E-002 -133 -MY3, and MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Deionized water
Silica nanopowder,40 nmUniRegion Bio-Tech60676860
EthanolECHO Chemical co. Ltd64175
Hydrochloric acidSHOWA Chemical co. Ltd.7647010
TetraethoxysilaneSHOWA Chemical co. Ltd.78104
AcetoneUNI-ONWARD CORP.67641
Cartridge HeaterChung Shun Heater & Instrument Co, Ltd.
Pyrex glass Automotive Glass service , Taiwan
Ordinary toughened glassAutomotive Glass service , Taiwan
Thermal pasteElectrolubeEG-30 
Insulation TapeChuan Chi Trading Co. LtdKapton Tape
SandpaperChuan Chi Trading Co. Ltd#2000
Heating furnaceChung ChuanHong Sen HS-101
Electronic scalesA&D co. LtdGX400
Ultrasonic cleanerBransonicBransonic 3510
Magnet stirrerYellow lineMST D S1
Data logger YokogawaMX-100
CCD cameraJVCLY35862-001A
Silicon pastePermatex599BR
Power supplyGwinstekGPR-20H50D
Teflon tape Chuan Chi Trading Co. LtdCS170000
Contact Angle GoniometerSindatekModel 100SB
Auxiliary HeaterChuan Chi Trading Co. Ltd
T- type thermocouplesChuan Chi Trading Co. Ltd
Reflux Condenser Chuan Chi Trading Co. Ltd
Fiber glassProfessional Plastics, Taiwan

References

  1. Putsch, G. Thermal challenges in the next generation of supercomputers. Proc. CoolCon MEECC Conference. , 1-83 (2005).
  2. Phan, H. T., Caney, N., Marty, P., Colasson, S., Gavillet, J. Surface wettability control by nanocoating: The effect on pool boiling heat transfer and nucleation mechanism. Int. J. Heat and Mass Transfer. 52, 5459-5471 (2009).
  3. Barber, J., Brutin, D., Tadrist, L. A review on boiling heat transfer enhancement with nanofluids. Nanoscale Res. Lett. 6 (1), 280 (2011).
  4. Kim, S. J., Bang, I. C., Buongiorno, J., Hu, L. W. Effects of nanoparticle deposition on surface wettability influencing boiling heat transfer in nanofluids. Appl. Phys. Lett. 89, 153107 (2006).
  5. Berenson, P. J. Experiments on pool-boiling heat transfer. Int. J. Heat Mass Transfer. 5 (10), 985-999 (1962).
  6. You, S. M., Simon, T. W., Bar-Cohen, A. A technique for enhancing boiling heat transfer with application to cooling of electronic equipment. IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Tech. 15 (5), 823-831 (1992).
  7. Li, C., Peterson, G. P. Parametric study of pool boiling on horizontal highly conductive microporous coated surfaces. J. Heat Transfer. 129 (11), 1465-1475 (2007).
  8. Trisaksri, V., Wongwises, S. Critical review of heat transfer characteristics of nanofluids. Renew. Sust. Energy Rev. 11 (3), 512-523 (2007).
  9. Trisaksri, V., Wongwises, S. Nucleate Pool Boiling Heat Transfer of TiO2-R141b nanofluids. Int. J. Heat Mass Transfer. 52 (5-6), 1582-1588 (2009).
  10. Suriyawong, A., Wongwises, S. Nucleate pool boiling heat transfer characteristics of TiO2- water nanofluids at very low concentrations. Exp. Therm. Fluid Sci. 34 (8), 992-999 (2010).
  11. Suriyawong, A., Dalkilic, A. S., Wongwises, S. Nucleate Pool Boiling Heat Transfer Correlation for TiO2-Water Nanofluids. J. ASTM Int. 9 (5), 1-12 (2012).
  12. Sarangi, S., Weibel, J. A., Garimella, S. V. Effect of particle size on surface-coating enhancement of pool boiling heat transfer. Int. J. Heat Mass Transfer. 81, 103-113 (2015).
  13. Kumar, C. S. S., Suresh, S., Kumar, M. C. S., Gopi, V. Effect of surfactant addition on hydrophilicity of ZnO-Al2O3 composite and enhancement of flow boiling heat transfer. Exp. Therm. Fluid Sci. 70, 325-334 (2016).
  14. Takata, Y., Hidaka, S., Uraguchi, T. Boiling feature on a super water-repellent surface. Heat Transfer Eng. 27 (8), 25-30 (2006).
  15. Takata, Y., Hidaka, S., Masuda, M., Ito, T. Pool boiling on a super hydrophilic surface. Int. J. Energy Res. 27 (2), 111-119 (2003).
  16. Takata, Y., Hidaka, S., Kohno, M. Enhanced nucleate boiling by super hydrophobic coating with checkered and spotted patterns. International Conference on Boiling Heat Transfer. , (2006).
  17. Hsu, C. C., Chiu, W. C., Kuo, L. S., Chen, P. H. Reversed boiling curve phenomenon on surfaces with interlaced wettability. AIP Advances. 4, 107110 (2014).
  18. Jo, H., Ahn, H. S., Kang, S. H., Kim, M. H. A study of nucleate boiling heat transfer on hydrophilic, hydrophobic and heterogeneous wetting surface. Int. J. Heat Mass Transfer. 54 (25-26), 5643-5652 (2011).
  19. Mehta, J. S., Kandlikar, S. G. Pool boiling heat transfer enhancement over cylindrical tubes with water at atmospheric pressure, Part I: Experimental results for circumferential rectangular open microchannels. Int. J. Heat Mass Transfer. 64, 1205-1215 (2013).
  20. Cornwell, K., Houston, S. D. Nucleate Pool Boiling on Horizontal Tubes - a Convection-Based Correlation. Int. J. Heat Mass Transfer. 37, 303-309 (1994).
  21. Holman, J. P. . Experimental Methods for Engineers. , (2007).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

122 interlines superhydrophilic

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved