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摘要

池沸腾传热进行实验以观察对传热系数（HTC）混合可湿性图案的影响。调查的参数是联运的数量和改性可湿性表面的图案取向。

摘要

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.

引言

甲提供在10-10 5瓦的范围内的冷却高热通量维持系统cm 2的需要/电子，国防，航空电子设备，和核装置发展的新兴领域。与空气传统冷却不足以用于这些应用由于两个自由和强制对流条件下低传热系数（HTC）。相位基于变更的冷却技术，例如池沸腾和流动沸腾，都不够好，10的顺序上除去高的热通量- 1000 W / cm 2的1。由于两相热传递过程是等温的，在冷却装置温度在其表面上几乎不变。由于沿表面的温度的变化可以忽略不计，该装置的热冲击可以被消除。然而，在沸腾传热的主要限制参数是临界热通量（CHF），这导致温度2的异常上升。

在过去的几十年中，广泛的研究已经进行了通过使用表面改性，纳米流体，和表面涂层3，4，5，6，7，8，9，10，11，以改善CHF。在各种方法中，表面涂层由于表面积大幅增加发现改善CHF的最佳方法。表面涂层通常增加鳍动作，孔隙率的影响，和表面润湿性12的热传递。表面润湿性起着沸腾传热一个显著的作用。以前的研究表明，在较低热通量的条件下，在疏水性表面显示出较好的HTC由于前期成核。然而，在较高热通量，所形成的气泡的分离是缓慢由于水朝向表面的低亲和力。这导致气泡聚结和导致较低的CHF 3。在另一方面，亲水性表面产生较高的CHF，因为所形成的气泡的快速拆卸的，但它在低的热通量使下部HTC，由于气泡成核13的延迟。

所述混合结构显示在沸腾传热所有热通量一个显着的提高，由于疏水性和亲水性14，15，16的组合效果。 Hsu 等人。通过涂覆超亲水的Si产生的异质可湿性表面纳米颗粒上的掩蔽铜表面上。它们通过改变涂层时间来实现不同的润湿性比。沸腾的发病早期出现异质表面上比在Homogeneous表面，其实质上减少了壁17过热。曹某等人。上的亲水性，疏水性，和异构的润湿表面进行核沸腾热传递的研究。将不均匀的润湿表面是由亲水性表面上的疏水性图案化的点。他们得到了较高的HTC的和非均相表面相比，亲水性表面一样瑞士法郎。在沸腾传热的改进直接取决于在表面上并在沸腾条件18的点的数量。

在这项研究中，使用浸涂技术的圆柱形的铜表面制作轴向混合可湿性图案。池沸腾传热研究，以确定联运的数目和混合可湿性图案的取向的影响。沸腾的热通量，HTC，和气泡动力学分析对于所有涂覆基材和我们与铜相比，衬底再。

研究方案

1.改性的表面的制备

  1. 使用＃2000砂纸手动抛光该试验片（空心铜圆柱体具有40毫米的长度（L），25毫米外直径（d O），和一个18毫米内直径（d i））的15分钟纸。用丙酮，随后去离子水中清洗干净的抛光表面。
  2. 在放置2小时的烘箱抛光试验片在120℃的恒定温度。
  3. 使用以下步骤制备超亲水SiO 2的纳米颗粒溶液。
    1. 四乙氧基硅烷和去离子水的4摩尔比:通过混合1制备溶液A.添加37％的2滴浓HCl溶液A中，并搅拌2小时。
    2. 的乙醇和去离子水3摩尔比:通过混合1使溶液B.
    3. 混合1毫升溶液A的80毫升溶液B，并搅拌2小时。
    4. 32克的SiO 2纳米颗粒（40纳米的直径）的添加到制备的SOLU重刑和搅拌1个小时。
  4. 通过使用浸涂装置以5mm / min的速度浸入所制备的溶液的试验片。保持在烘箱中涂覆的试验片在120℃下1个小时。
  5. 制备2,4，和8沿轴向方向使用以下步骤不同的取向（ 如图1所示）隔行混合模式。
    1. 掩蔽的区域，以根据所需数量的与正确的方向（对于2行间表面以0°取向联运的使用绝缘带是未涂覆的，调节在所述中心和所述超亲水区域（区域待涂覆）联运顶侧上。在另一方面，对于90°的取向，在顶部和另一个在底部调节一个行间和用于180°取向，调整在底部超亲水区域和在中心处的联运。类似地，调整与不同○4,8隔行表面的位置rientation 如图1）。
    2. 通过使用浸涂装置，浸涂以高浸渍速度和上升以5mm / min的速度缓慢浸入所制备的溶液中的掩蔽试验片。保持在烘箱中涂覆的试验片在120℃下1个小时。
    3. 从掩蔽区域​​除去绝缘带，以获得所需数量的联运与正确方向。

figure-protocol-970
图1.各种隔行曲面的选择。 （a）用不同的取向各种隔行表面的示意图。一个普通的铜表面和超亲水表面的面积比为1:1中的所有条件。 （b）中取向的选择标准。 （c）该2行间0°角取向的表面的等距视图。取向被选择为基线和涂层之间的角度从顶侧的第一亲水图案的中心线并且在顺时针方向上测量的。 请点击此处查看该图的放大版本。

2.实验步骤

  1. 使用绝缘带，固定一个玻璃管在涂覆试验片的各圆形基部。
  2. 水平固定该组件到140-X 140-×160毫米室使用根据联运的所需位置硅浆料（如在图2中所示）。
  3. 放置一个550-W，直径18毫米，并用导热膏的上圆周区到试验片的孔的薄膜40毫米长的筒式加热器。
  4. 筒式加热器连接到一个直流（DC）电源单元。
  5. 地方的T型热电偶进8等距1毫米的孔，具有5mm和7mm备用深度如图3把它们连接到数据记录器。
  6. 在设置在顶盖的空间插入和固定电阻温度检测器（RTD），回流冷凝器，和一个辅助加热器。解决这些问题在沸腾室。
  7. 填写1400毫升去离子水入池沸腾室。
  8. 回流冷凝器连接到被保持在5℃的冷却室中。
  9. 在实验之前，使用辅助加热器剧烈煮沸去离子水在池沸腾室30分钟。
  10. 通过使用辅助加热器保持去离子水在饱和沸腾条件。接着，接通电源，并给予0.1 A的初始电流
  11. 为了达到稳定状态等待2分钟。然后，增加用0.3 A的增量电流
  12. 通过使用数据记录器记录在每个功率输入的温度。继续实验，直到达到4 A的最大电流。同时，记录泡沫动力学F或通过使用CCD照相机每个功率输入放置在池沸腾室，其被聚焦在试验片的前面。

figure-protocol-2045
图2.原理池沸腾商会。玻璃管被连接到与硅膏中的空心铜圆柱体的两侧。这被固定在硅膏池沸腾室。 请点击此处查看该图的放大版本。

figure-protocol-2316
图3.热电偶定位。 8个热电偶沿周向放置在直径1mm的孔的内部在所述试验片发生在一个直径为20毫米。备用直径1mm孔的深度是固定的以5mm和分别为7毫米。/files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg"目标=‘_空白’>点击此处查看该图的放大版本。

3.数据缩减

  1. 通过使用以下等式计算19的热输入（Q）
    Q = I V（1）
    注:I和V分别是安培输入电流和以伏特的电压。
  2. 通过使用公式19来估计距两个侧表面的热损失（Q 损失 ）:
    figure-protocol-2778 （2）
    注:k是铜的热导率; Ť7 毫米和T5 毫米是在7毫米和5毫米，分别深度的温度的平均值; ΔX（2 mm）是深度之间的差异;和
    figure-protocol-2940是测试p的横截面面积 IECE。
  3. 通过使用下面的公式19确定的热通量（Q'）:
    figure-protocol-3090 （3）
    注:A =πD 2 O l是试验片的圆周区域。
  4. 计算壁过热（使用下面的等式19:
    figure-protocol-3261 （4）
    注:T m是Ť7 毫米和T 为5mm平均，是在试验片，R 0（12.5毫米）试验片的外半径，R M（10毫米）试验片的半径处的长度测量孔，且T是坐在 DI水的饱和温度， 如图4。
  5. 计算使用下面的公式19中的HTC（α）:
    PLOAD / 55387 / 55387eq5.jpg" />（5）

figure-protocol-3644
图4.示意图壁温分析。壁温度用测量的平均温度和已知的圆柱形热电阻计算。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

池沸腾传热实验是在使用的实验装置，其示意图示于图5中的混合动力车可湿性圆筒面进行。池沸腾实验程序在协议部分的步骤2中说明成功地进行了当调查联运的数目和在水池沸点性能混合可湿性图案的定向的效果。的热通量相​​对于壁过热和HTC相对于热通量:不同的处理表面的池沸腾的表演在图的条款来表示。

...

讨论

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...

披露声明

The authors declare that they have no competing financial interests.

致谢

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).

材料

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

参考文献

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  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).
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