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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

ברכה-רותחים חומים-העברת ניסויים בוצעו כדי לבחון את ההשפעות של דפוסי רטיבים היברידיים על מקדם העברת חום (HTC). הפרמטרים של חקירה הם מספר interlines ואת נטיית הדפוס של משטח רטיבים השונה.

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

אש גבוהה שטף מזין מערכת אספקת קירור בטווח של 10-10 5 W / סנטימטר 2 נדרש בתחומי המתעוררים של אלקטרוניקה, הגנה, אוויוניקה, ופיתוח מתקן גרעיני. קירור קונבנציונלי עם אוויר אינו מספיק עבור יישומים אלה בשל מקדם תרמי הנמוך (HTC) עבור שני תנאים חופשיים ואלצה-הסעה. טכניקות קירור השלב מבוסס השינוי, כגון רתיחת ברכה וזרימה רותחת, הם טובות מספיק כדי להסיר ונתיבים חומים גבוהים על סדר 10 - 1000 W / הסנטימטר 2 1. מאחר שתהליך שני שלבים-העברת חום הוא בידוד תרמי, טמפרטורת המכשיר המקוררת היא כמעט קבועה על פני השטח שלה. בשל הווריאציה הזניחה של הטמפרטורה על פני השטח, את ההלם התרמי של המכשיר יכול להתבטל. עם זאת, הפרמטר המגביל העיקרי רותח-העברת חום הוא שטף החום הקריטי (CHF), אשר גורם לעלייה חריגה בטמפרטורה 2 .

בעשורים האחרונים, מחקר מקיף בוצע כדי לשפר את CHF באמצעות שינוי פני שטח, nanofluids, וציפויי משטח 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. בין השיטות השונות, ציפויי שטח נמצאים להיות השיטה הטובה ביותר לשפר את CHF בשל הגידול הניכר פני השטח. ציפוי וציור בדרך כלל להגדיל את העברת החום על ידי פעולת סנפיר, תופעות נקבוביות, משטח יכולת רטיבות 12. יכולת רטיבות משטח משחק תפקיד משמעותי רותחים-העברת חום. מחקרים קודמים הראו כי בתנאים חומים-שטף תחתונים, את המשטח ההידרופובי מציג HTC טוב יותר בשל ההתגרענות מוקדם. עם זאת, בשטף חום גבוה, הניתוק של הבועות הנוצרות איטי בשל הזיקה הנמוכה של מים לכיוון המשטח. זה מוביל לגיבוש בועת התוצאה הוא נמוך 3 CHF. מצד השני, משטח הידרופילי מייצר CHF גבוה, בגלל הניתוק המהיר של בועות הנוצרות, אבל זה נותן HTC נמוך ב ונתיבים חומים נמוכים, בשל עיכוב התגרענות בועת 13.

המבנים ההיברידיים להראות שיפור מדהים רותח חומה-העברה ולתמיד והנתיבים החומים בשל ההשפעה המשולבת של הידרופוביות hydrophilicity 14, 15, 16. הסו ואח. משטח רטיבים הטרוגנית המיוצר על ידי ציפוי סופר-הידרופילי Si חלקיקים על משטח נחושת רעול פנים. הם השיגו יחסי יכולת רטיבות שונים על ידי שינוי זמן הציפוי. תחילתה של רתיחה התרחשה מוקדם יותר על משטחים הטרוגנית בהשוואה hמשטח omogeneous, אשר הקטין את הקיר באופן משמעותי superheat 17. ג'ו ואח. מחקרים שנערכו רותחים חומים-העברת nucleate על משטחי הרטבה הידרופילי, הידרופובי, ו הטרוגנית. משטח ההרטבה הטרוגנית שהורכב נקודות בדוגמת הידרופובי על המשטח הידרופילי. הם קיבלו HTCs גבוה ואותו פרנק שוויצרי עבור פני השטח הטרוגנית לעומת משטח הידרופילי. שיפור רותח-העברת חום תלוי ישירות על מספר הנקודות על פני השטח ועל תנאי הרתיחה 18.

במחקר זה, דפוסי רטיבים היברידיים ציריים יוצרו על משטח נחושת גלילי באמצעות טכניקת ציפוי לטבול. ברכה-רותח מחקרים חומים-העברה נערכה על מנת לקבוע את ההשפעות של המספר interlines ושל הכיוון של דפוס רטיבים ההיברידי. שטף חום רתיחה, HTC, ודינמיקת בועה נותחו על מצעים מצופים מכל ואנחנומחדש לעומת המצע נחושת.

Protocol

1. הכנת המשטחים השתנו

  1. ידני למרק את חתיכת המבחן (צילינדר נחושת חלול באורך 40 מ"מ (L), בקוטר חיצוני 25 מ"מ (ד טו), לבין בקוטר פנימי 18 מ"מ (i ד)) עבור 15 דקות באמצעות שמיר # 2000 עיתון. נקה את המשטח המלוטש ידי שטיפה עם אצטון ואחריו מי DI.
  2. מניח את חתיכת מבחן המלוטשת בתנור במשך 2 h בטמפרטורה קבועה של C ° 120.
  3. כן פתרון ננו-חלקיקי סופר-הידרופילי SiO 2 באמצעות השלבים הבאים.
    1. כן פתרון על ידי ערבוב 1: 4 יחסים טוחנים של silane tetraethoxy ומי DI. להוסיף 2 טיפות של 37% מרוכזים HCl לפתרון ומערבבים במשך 2 h.
    2. הפוך B פתרון על ידי ערבוב של 1: יחס 3 טוחנת של אתנול ומים DI.
    3. מערבבים 1 מ"ל של פתרון 80 מ"ל של B פתרון ומערבבים במשך 2 h.
    4. להוסיף 32 גרם של חלקיקי 2 SiO (בקוטר 40 ננומטר) אל solu המוכןtion ומערבבים במשך 1 h.
  4. לטבול את חתיכת מבחן בתמיסה מוכנה באמצעות מנגנון ציפוי-לטבול במהירות של 5 מ"מ / דקה. שמור את חתיכת מבחן מצופה בתנור על 120 מעלות צלזיוס למשך 1 שעה.
  5. כן 2, 4, ו 8 דפוסים היברידיים interlined עם נטיות שונות לאורך הכיוון הצירי (כפי שמוצג באיור 1) באמצעות השלבים הבאים.
    1. להסוות את האזור להיות ללא ציפוי באמצעות סרט בידוד בהתאם למספר הנדרש של interlines עם הכיוון הנכון (עבור השטח 2-לבטן לבעלי נטייה 0 °, להתאים interlines במרכז ואזור הסופר-הידרופילי (אזור המיועד לציפוי) על בצד העליון. מצד שני, עבור האוריינטציה 90 °, להתאים לבטן אחד בראש אחר בתחתית ועל הכיוון 180 מעלות, לכוון אזור הסופר-הידרופילי בתחתית ואת interlines במרכז. בדומה לכך, להתאים את עמדה של משטחי interlined 4, 8 עם o השונהrientation כפי שמוצג באיור 1).
    2. לטבול את חתיכת מבחן הרעולה פנים בתמיסה המוכנה באמצעות מנגנון ציפוי לטבול, לטבול בכל מהירות עליית טבילה גבוהה בכל מהירות איטית של 5 מ"מ / דקה. שמור את חתיכת מבחן מצופה בתנור על 120 מעלות צלזיוס למשך 1 שעה.
    3. הסר את סרט הבידוד מהאזור הרעול הפנים כדי להשיג את המספר הדרוש של interlines עם הכיוון הנכון.

figure-protocol-2702
איור 1. מבחר משטחי Interlined שונים. (א) סכמטי של משטחי interlined שונים עם נטיות שונות. יחס השטח של משטח נחושת רגיל משטח סופר-הידרופילי הוא 1: 1 בכל התנאי. (ב) אורינטציה קריטריונים לבחירה. (ג) צפה איזומטרי של משטח ° זווית אוריינטציה 2 לבטן 0. אורינטציה נבחרה הזווית בין קו הבסיס והציפוימרכז קו של דפוס הידרופילי הראשון מהצד העליון וזה נמדד בכיוון השעון. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. נוהל ניסיוני

  1. באמצעות סרט בידוד, לתקן צינור זכוכית אחד בכל בסיס עגול של חתיכת מבחן מצופה.
  2. אופקי לתקן הרכבה זו לתא 140- 140- x x 160 מ"מ (כפי שמוצג באיור 2) באמצעות הדבק סיליקון פי למצב הרצוי של interlines.
  3. מניחים בקוטר 550-W, 18 מ"מ, ו 40 מחמם מחסנית-ארוך מ"מ עם שכבה דקה של ממרח תרמית על האזור ההיקפי לתוך החור של חתיכת מבחן.
  4. חברו את דוד מחסנית כדי זרם ישיר (DC) יחידת אספקת החשמל.
  5. צמדי T-סוג מקום לתוך 8 חורי 1 המ"מ-ברווחים שווים, עם מעמקים חלופיים של 5 מ"מ ו 7 מ"מ כפי שמוצגים באיור3 ולחבר אותם אל לוגר נתונים.
  6. הכנס ולתקן גלאי טמפרטורה התנגדות (RTD), מעבה ריפלוקס, וכן דוד עזר בתוך המשבצות על המכסה העליון. תקן אותם מעל התא הרותח.
  7. מלאו 1400 מ"ל מים DI לתוך תא-רותחים הבריכה.
  8. חברו את מעבה ריפלוקס כדי בתא הקירור שמתוחזק על C ° 5.
  9. לפני הניסוי, במרץ להרתיח את המים DI בתא-רותחים הבריכה למשך 30 דקות באמצעות מחמם עזר.
  10. שמור על מי DI על מצב הרתיחה הרוויה באמצעות מחמם העזר. לאחר מכן, לעבור על אספקת החשמל ולתת זרם ראשוני של 0.1 A.
  11. מתן 2 דקות כדי להגיע למצב יציב. ואז, להגביר את הזרם החשמלי בקפיצות של 0.3 A.
  12. רשום את הטמפרטורה בכל קלט כוח באמצעות לוגר נתונים. משך הניסוי עד זרם מרבי של 4 א 'הגיע. בינתיים, להקליט את F דינמיקת הבועה או כל קלט כוח באמצעות מצלמת CCD להציב מול התא רותח-הברכה, אשר התמקדה חתיכת המבחן.

figure-protocol-5366
איור 2. סכמטי של לשכת ברכה הרותחת. צינורות זכוכית מחוברים משני צידי גליל הנחושת החלול עם רסק סיליקון. זו תוקנה לתא רותחים הבריכה עם רסק סיליקון. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-protocol-5814
איור 3. תרמי מיצוב. 8 צמדים ממוקמים בתוך החורים בקוטר 1 מ"מ circumferentially במקום מבחן האחר חלק בקוטר של 20 מ"מ. מצולות חורים בקוטר 1 מ"מ חלופי שתוקנו ב 5 מ"מ ו 7 מ"מ בהתאמה./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

3. הפחתת נתונים

  1. חשב את קלט חום (Q) באמצעות המשוואה הבאה 19
    Q = אני V (1)
    הערה: אני ו- V הוא נוכחי קלט אמפר והמתח בוולטים, בהתאמה.
  2. הערך את איבוד חום (הפסד Q) משני משטחי הצד באמצעות הנוסחה 19:
    figure-protocol-6698 (2)
    הערה: K הוא מוליכות תרמית של נחושת; T 7 מ"מ ו- T 5 מ"מימ הם הערכים הממוצעים של הטמפרטורה בעומקים של 7 מ"מ ו 5 מ"מ, בהתאמה; Δx (2 מ"מ) הוא ההבדל בין המעמקים; ו
    figure-protocol-6962 הוא חתך באזור של p המבחן iece.
  3. קבע את שטף חום (q "") באמצעות הנוסחה הבאה 19:
    figure-protocol-7193 (3)
    הערה: A = π ד o L הוא האזור ההיקפי של חתיכת מבחן.
  4. חשבתי את superheat הקיר (באמצעות המשוואה הבאה 19:
    figure-protocol-7470 (4)
    הערה: m T הוא הממוצע של מ"מ T 7 ו- T 5 מ"מ, הוא אורך הקטע מבחן, R o (12.5 מ"מ) הרדיוס החיצוני של היצירה הבדיקה, r m (10 מ"מ) רדיוס חתיכת מבחן בבית מדידת חורים, ו- T ישב היא הטמפרטורה הרוויה של מי DI כפי שמוצג באיור 4.
  5. חשב את HTC (α) באמצעות הנוסחה הבאה 19:
    pload / 55,387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8098
סכמטי באיור 4. ניתוח טמפרטורה סטריט. הטמפרטורה וול מחושב לפי הטמפרטורה הממוצעת הנמדדת והתנגדות תרמית גלילי ידוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

תוצאות

ברכה-רותחים חומים-העברת ניסויים נערכו על משטח גלילי היברידי רטיבים באמצעות הגדרת ניסוי סכמטי אשר מוצג באיור 5. ההליך הניסיוני-רותח הברכה הסביר בשלב 2 של הסעיף בפרוטוקול בוצע בהצלחה בזמן שהוא חוקר את ההשפעה של המספר interlines ושל הכיוון של הדפוס...

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

122interlines

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