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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Pool siedenden Wärmeübertragungs Experimente wurden durchgeführt, um die Auswirkungen von Hybrid-Spritzmuster auf dem Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) zu beobachten. Die Parameter der Untersuchung sind die Anzahl der Zwischenzeilen und die Musterausrichtung der modifizierten benetzbare Oberfläche.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Ein hoher Wärmefluß erhaltKühlSystems im Bereich von 10 bis 10 Mai W Bereitstellung / cm 2 wird in den Schwellen Bereichen Elektronik, Verteidigungs-, Avionik und Kerngeräteentwicklung erforderlich. Herkömmliche Kühlung mit Luft nicht ausreichend ist für diese Anwendungen aufgrund der geringen Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) sowohl für Frei und erzwungener Konvektion Bedingungen. Die Phasenänderung-basierten Kühltechniken, wie Pool Sieden und Sieden fließen, sind gut genug , um hohe Wärmeströme in der Größenordnung von 10 zu entfernen - 1.000 W / cm 2 1. Da der Zwei-Phasen-Wärmeübertragungsvorgang isotherm ist, wird die gekühlte Gerätetemperatur über seine Oberfläche nahezu konstant. Aufgrund der vernachlässigbaren Variation der Temperatur entlang der Oberfläche, kann der thermische Schock der Vorrichtung beseitigt werden. Allerdings ist die Hauptbegrenzungs Parameter in siedendem Wärmeübertragungs der kritische Wärmefluss (CHF), die einen anormalen Temperaturanstieg verursacht 2 .

In den letzten Jahrzehnten wurde umfangreiche Forschung durchgeführt , die CHF zu verbessern , indem die Oberflächenmodifikation unter Verwendung Nanoflüssigkeiten und Oberflächenbeschichtungen , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Unter den verschiedenen Methoden, Oberflächenbeschichtungen die beste Methode zur Verbesserung der CHF aufgrund der erheblichen Zunahme der Oberfläche befunden werden. Oberflächenbeschichtungen erhöhen im allgemeinen die Wärmeübertragung durch fin Aktion, Porosität Effekte und Oberflächenbenetzbarkeit 12. Benetzbarkeit der Oberfläche spielt eine bedeutende Rolle Wärmetransfer in siedendem. Frühere Studien zeigen bei niedrigeren Wärmeflussbedingungen, dass die hydrophobe Oberfläche besser HTC aufgrund der frühen Keimbildung zeigt. Doch beihöherer Wärmefluss ist die Ablösung der gebildeten Blasen langsam aufgrund der geringen Affinität von Wasser in Richtung der Oberfläche. Dies führt zu einer Blasenvereinigung und führt zu einem geringeren 3 CHF. Auf der anderen Seite erzeugt eine hydrophile Oberfläche eine höhere CHF, wegen der schnellen Ablösung der gebildeten Blase, aber es gibt eine geringere HTC bei niedrigen Wärmeflüssen, aufgrund der Verzögerung in Blasennukleierung 13.

Die Hybridstrukturen zeigen eine bemerkenswerte Verbesserung Wärmeübertragung für alle Wärmeflüsse aufgrund der kombinierten Wirkung der Hydrophobie und Hydrophilie 14, 15, 16 in sieden. Hsu et al. hergestellte heterogene benetzbare Oberfläche superhydrophilen Si durch Beschichtung Nanopartikel auf einer maskierte Kupferoberfläche. Sie erreichten unterschiedliche Benetzbarkeit Verhältnisse durch die Beschichtungszeit variiert. Der Beginn des Kochens aufgetreten früher auf den heterogenen Oberflächen im Vergleich zu dem Homogeneous Oberfläche, die im wesentlichen die Wand 17 verringert hitzen. Jo et al. Blasensieden Wärmeübertragungs Studien auf hydrophile, hydrophobe und heterogenen Benetzungsflächen durchgeführt. Die heterogene Benetzungsfläche wurde aus hydrophoben gemusterten Punkten auf der hydrophilen Oberfläche bestehen. Sie haben höhere HTCs und die gleiche CHF für die heterogene Oberfläche im Vergleich zu der hydrophilen Oberfläche. Eine Verbesserung in der Siedehitze Übertragung hängt direkt von der Anzahl der Punkte auf der Oberfläche und auf die Siedebedingungen 18.

In dieser Studie axiale hybrid benetzbar Muster wurden auf einer zylindrischen Kupferoberfläche unter Verwendung der Tauchbeschichtungstechnik hergestellt. Pool siedende Wärmeübertragungs Studien wurden durchgeführt, um die Auswirkungen der Reihe von Zwischenzeilen und der Orientierung des Hybrids benetzbar Muster zu bestimmen. Boiling Wärmefluss, HTC, und Blasendynamik wurden für die alle beschichteten Substrate analysiert und wirerneut gegenüber dem Kupfersubstrat.

Protokoll

1. Herstellung der modifizierten Oberflächen

  1. Polieren manuell das Prüfstück (hohlen Kupferzylinder mit einer 40-mm - Länge (l) in einem 25-mm Außendurchmesser (d o), und ein 18-mm - Innendurchmesser (d i)) für 15 min unter Verwendung eines # 2000 Emery unter Verwendung Papier. Reinigen Sie die polierte Oberfläche indem sie sie mit Aceton, gefolgt von DI-Wasser gespült.
  2. Platzieren Sie das polierte Teststück in einem Ofen für 2 Stunden bei einer konstanten Temperatur von 120 ° C.
  3. Vorbereiten einer superhydrophilen SiO 2 Nanopartikellösung die folgenden Schritte verwendet wird .
    1. Bereiten Lösung A durch Mischen von 1: 4 Molverhältnisse von Tetraethoxysilan und DI-Wasser. 2 Tropfen 37% konzentrierte HCl zur Lösung A hinzu und rührt 2 Stunden.
    2. Make-Lösung B durch ein 1 Mischen: 3 Molverhältnis von Ethanol und DI-Wasser.
    3. Mix 1 ml Lösung A und 80 ml Lösung B hinzu und rühre 2 Stunden.
    4. Fügen Sie 32 g SiO 2 -Nanopartikel (40 nm Durchmesser) auf die vorbereitete solution und rühre 1 h.
  4. Tauchen des Prüfkörpers in der vorbereiteten Lösung durch die Tauchbeschichtungsvorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 5 mm / min verwendet. Halten Sie das beschichtete Teststück in einem Ofen bei 120 ° C für 1 h.
  5. Bereiten 2, 4, 8 und wattierte Hybridmuster mit unterschiedlichen Orientierungen entlang der axialen Richtung mit Hilfe der folgenden Schritte (wie in Abbildung 1 gezeigt).
    1. Maskiert den Bereich unbeschichtet sein, mit dem Isolierband entsprechend die erforderlichen Anzahl von Zwischenzeilen mit der richtigen Orientierung (für die 2-Interline-Oberfläche bei einer 0 ° Orientierung, stellen Zwischenzeilen in der Mitte und der superhydrophilen Bereich (Bereich zu beschichtende) auf die Oberseite. Andererseits seits~~POS=HEADCOMP wird für die Ausrichtung 90 °, stellt eine Zwischenzeile am oberen Ende und ein anderen am unteren Ende und für die 180 ° -Ausrichtung, superhydrophilen Bereich auf der Unterseite und die Zwischenzeilen in der Mitte eingestellt wird. in ähnlicher Weise justiert die Position der 4, 8 wattierten Oberflächen mit der verschiedenen orientation wie in Abbildung 1 gezeigt).
    2. Tauchen des maskierten Prüfstück in der hergestellten Lösung, die durch eine Tauchbeschichtungsvorrichtung verwendet wird, bei einer hohen dip Tauchgeschwindigkeit und Anstieg bei einer langsamen Geschwindigkeit von 5 mm / min. Halten Sie das beschichtete Teststück in einem Ofen bei 120 ° C für 1 h.
    3. Entfernen Sie das Isolierband aus dem maskierten Bereich die erforderlichen Anzahl von Zwischenzeilen mit der richtigen Orientierung zu erhalten.

figure-protocol-2859
Abbildung 1. Auswahl von verschiedenen wattierte Oberflächen. (a) Schematische Darstellung der verschiedenen wattierte Flächen mit unterschiedlichen Orientierungen. Das Flächenverhältnis einer glatten Kupferoberfläche und eine superhydrophile Oberfläche ist, von 1: 1 unter allen Bedingungen. (b) Ausrichtung Auswahlkriterien. (c) isometrische Ansicht der 2 Interline 0 ° Winkel orientiert Oberfläche. Die Orientierung wird als der Winkel zwischen der Basislinie ausgewählt und BeschichtungsMittellinie des ersten hydrophilen Musters von der oberen Seite, und es wird im Uhrzeigersinn gemessen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Experimentelles Verfahren

  1. Unter Verwendung des Isolierband, fixieren ein Glasrohr an jeder kreisförmigen Basis des beschichteten Teststücks.
  2. Horizontal fixiert diese Baugruppe in der 140- 140- x x 160 mm-Kammer unter Verwendung von Silikonpaste nach der gewünschten Position der Zwischenzeilen (wie in Abbildung 2 gezeigt).
  3. Legen Sie eine 550-W, 18 mm Durchmesser und 40 mm langen Heizpatrone mit einem dünnen Film aus Wärmeleitpaste auf der Umfangsfläche in das Loch des Prüflings.
  4. Verbinden Sie die Heizpatrone in einen Gleichstrom (DC) Energieversorgungseinheit.
  5. Ort T-Typ - Thermoelemente in die 8 gleich beabstandeten Löcher von 1 mm, mit abwechselnden Tiefen von 5 mm und 7 mm , wie gezeigt in Fig3 Schließen Sie sie an den Datenlogger.
  6. Einsetzen und fixieren Widerstandstemperaturdetektoren (RTD), einen Rückflusskühler und einen Zuheizer in den auf der oberen Abdeckung vorgesehen Flächen. Fix sie über die Siedekammer.
  7. Füllen Sie 1400 ml DI-Wasser in den Pool-Siedekammer.
  8. Schließen Sie den Rückflußkühler in eine Kühlkammer, die bei 5 ° C gehalten wird.
  9. Vor dem Experiment, kochen kräftig das DI-Wasser in den Pool-Siedekammer für 30 min, um die Zusatzheizung verwendet wird.
  10. Halten Sie das DI-Wasser im gesättigten siedenden Zustand durch die Zusatzheizung verwendet wird. Anschließend schalt die Stromversorgung und einen ersten Strom von 0,1 A.
  11. Warten für 2 min, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Dann erhöht den elektrischen Strom in Schritten von 0,3 A.
  12. Aufzeichnen die Temperatur an jedem Stromeingang durch den Datenlogger verwendet. Weiter das Experiment, bis ein Maximalstrom von 4 A erreicht ist. Inzwischen notieren Sie die Blasendynamik f oder jeder Stromeingang von einer CCD-Kamera angeordnet vor den Pool-Siedekammer, die auf dem Teststück fokussiert wird.

figure-protocol-5862
Abbildung 2. Schematische Darstellung des Pool-Siedekammer. Glasrohre sind an beiden Seiten des hohlen Kupferzylinders mit Silikonpaste verbunden. Dies wird mit Silikonpaste zum Pool-Siedekammer befestigt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

figure-protocol-6451
Abbildung 3. Thermoelement Positionierung. 8-Thermoelemente sind in den Bohrungen von 1 mm Durchmesser in Umfangsrichtung in dem Prüfstück Ort bei einem Durchmesser von 20 mm platziert. Die Tiefen von abwechselnden 1 mm Durchmesser Löcher werden bei 5 mm und 7 mm bzw. fixiert./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg“target =‚_ blank‘> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

3. Datenreduktion

  1. Berechnen Sie die Wärmezufuhr (Q) durch die folgende Gleichung unter Verwendung von 19
    Q = I V (1)
    HINWEIS: I und V ist der Eingangsstrom in Ampere und die Spannung in Volt, respectively.
  2. Schätzen , um den Wärmeverlust (Q Verlust) von den beiden Seitenflächen mit Hilfe der Formel 19:
    figure-protocol-7400 (2)
    HINWEIS: k ist die thermische Leitfähigkeit von Kupfer; T 7 mm T 5 mm und sind die Mittelwerte der Temperatur in einer Tiefe von 7 mm und 5 mm sind; & Dgr; x (2 mm) ist der Unterschied zwischen der Tiefe; und
    figure-protocol-7717 ist die Querschnittsfläche des Test p IECE.
  3. Bestimmen Sie den Wärmefluß (q ‚‘) unter Verwendung der folgenden Formel 19:
    figure-protocol-7955 (3)
    HINWEIS: A = π d o l ist der Umfangsbereich des Prüflings.
  4. Berechnen der Wandüberhitzung (unter Verwendung der folgenden Gleichung 19:
    figure-protocol-8230 (4)
    HINWEIS: Die T m ist der Durchschnitt der T 7 mm und T 5 mm ist die Länge des Prüfkörpers, r o (12,5 mm) Außenradius des Prüfkörpers, r m (10 mm) Radius des Prüfstücks bei der Löcher zu messen und T sat die Sättigungstemperatur von DI - Wasser , wie in Abbildung 4 dargestellt.
  5. Berechnen Sie die HTC (α) mit der folgenden Formel 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg“/> (5)

figure-protocol-8845
Abbildung 4. Schematische Darstellung der Wandtemperatur - Analyse. Wandtemperatur wird unter Verwendung des gemessenen Durchschnittstemperatur und bekannten zylindrischen Wärmewiderstand errechnet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Ergebnisse

Pool siedenden Wärmeübertragungsexperimente wurden auf einer Hybrid - benetzbaren zylindrischen Oberfläche durchgeführt unter Verwendung des experimentellen Aufbaus , deren schematischen wird in 5 gezeigt. Der Pool siedende experimentelle Verfahren erläutert in Schritt 2 des Protokolls Abschnitt wurde erfolgreich durchgeführt, während die Wirkung der Anzahl von Zwischenzeilen und der Orientierung des Hybrids benetzbar Muster auf dem Pool siedende Leistung zu unter...

Diskussion

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...

Offenlegungen

The authors declare that they have no competing financial interests.

Danksagungen

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).

Materialien

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

Referenzen

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  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).
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  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).
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  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).
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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).
  21. Holman, J. P. . Experimental Methods for Engineers. , (2007).

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