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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

esperimenti di trasferimento di calore Pool-bollente sono state effettuate per osservare gli effetti dei modelli ibridi bagnabili sul coefficiente di scambio termico (HTC). I parametri di ricerca sono il numero di interlining e l'orientamento modello della superficie bagnabile modificata.

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.

Introduzione

Un sistema di calore elevato flusso di sostentamento che fornisce raffreddamento nell'intervallo 10-10 5 W / cm 2 è richiesta nei settori emergenti dell'elettronica, difesa, avionica e sviluppo dispositivo nucleare. raffreddamento convenzionale con aria è sufficiente per queste applicazioni a causa del coefficiente di scambio termico basso (HTC) per entrambe le condizioni di libero e convezione forzata. Le tecniche di raffreddamento cambiamento basate fase, come piscina ebollizione e il flusso bollente, sono abbastanza buono per rimuovere elevati flussi di calore dell'ordine di 10 - 1,000 W / cm 2 1. Poiché il processo di trasferimento di calore a due fasi è isotermico, la temperatura del dispositivo raffreddato è quasi costante sulla sua superficie. A causa della variazione trascurabile della temperatura lungo la superficie, lo shock termico del dispositivo può essere eliminato. Tuttavia, il principale parametro limitante in ebollizione trasferimento di calore è il flusso di calore critico (CHF), che causa un aumento anomalo della temperatura 2 .

Negli ultimi decenni, vasta ricerca è stata effettuata per migliorare la CHF mediante modificazione superficiale, nanofluidi, e rivestimenti di superficie 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Tra i vari metodi, rivestimenti di superficie si trovano ad essere il metodo migliore per migliorare il CHF causa del notevole aumento della superficie. Rivestimenti superficiali generalmente aumenta il trasferimento di calore con l'azione della pinna, effetti porosità e superficie bagnabilità 12. bagnabilità della superficie gioca un ruolo significativo nella bollente scambio termico. Precedenti studi mostrano che in condizioni di flusso termico inferiore, la superficie idrofoba mostra meglio HTC dovuta ai primi nucleazione. Tuttavia, aflusso di calore superiore, il distacco delle bolle formate è lento a causa della bassa affinità di acqua verso la superficie. Questo porta a bolla coalescenza e si traduce in una minore CHF 3. D'altro canto, una superficie idrofila produce una maggiore CHF, a causa del distacco rapido delle bolle formate, ma dà un HTC inferiore a flussi di calore bassa, a causa del ritardo nella bolla nucleazione 13.

Le strutture ibride mostrano migliora notevolmente bollente scambio termico per tutti i flussi di calore per l'effetto combinato di idrofobicità e idrofilia 14, 15, 16. Hsu et al. prodotta superficie bagnabile eterogenea rivestendo superidrofilia Si nanoparticelle su una superficie di rame mascherato. Hanno raggiunto differenti rapporti bagnabilità variando il tempo di rivestimento. L'insorgenza di ebollizione si è verificato in precedenza sulle superfici eterogenee rispetto alla hsuperficie omogenea, che ha ridotto sostanzialmente la parete Surriscaldamento 17. Jo et al. condotto studi termodistributori nucleata bollente su superfici bagnanti idrofile, idrofobe, ed eterogenei. La superficie bagnatura eterogenea è stata composta da punti modellati idrofobe sulla superficie idrofila. Hanno ottenuto HTCs superiore e la stessa CHF per la superficie eterogenea rispetto alla superficie idrofila. Un miglioramento bollente termovettore dipende direttamente dal numero di punti sulla superficie e dalle condizioni di ebollizione 18.

In questo studio, assiali modelli bagnabili ibridi sono stati prodotti su una superficie di rame cilindrica con la tecnica dip coating. Pool-bollente studi scambio termico sono stati condotti per determinare gli effetti del numero di interlining e dell'orientamento del modello bagnabile ibrido. Ebollizione flusso di calore, HTC e dinamiche bolla sono stati analizzati per i substrati tutti rivestiti e tiri rispetto al substrato di rame.

Protocollo

1. Preparazione delle superfici modificate

  1. Lucidare manualmente il pezzo di prova (cilindro cavo in rame con una lunghezza di 40 mm (l), un diametro esterno di 25 mm (d o), ed un diametro interno di 18 mm (d i)) per 15 minuti usando uno smeriglio N. 2.000 carta. Pulire la superficie lucidata da risciacquo con acetone mediante acqua deionizzata.
  2. Si dispone la provetta lucidata in un forno per 2 ore a una temperatura costante di 120 ° C.
  3. Preparare una soluzione di nanoparticelle superidrofilia SiO 2 procede come segue.
    1. Preparare la soluzione A miscelando 1: 4 rapporti molari di silano tetraethoxy e acqua deionizzata. Aggiungere 2 gocce di 37% HCl concentrato alla soluzione A e mescolare per 2 ore.
    2. Preparare la soluzione B miscelando un rapporto 1: 3 moli di etanolo e acqua deionizzata.
    3. Mescolare 1 mL di soluzione A e 80 mL di soluzione B e agitare per 2 ore.
    4. Aggiungere 32 g di SiO 2 nanoparticelle (diametro 40 nm) per la solu preparatozione e mescolare per 1 ora.
  4. Immergere la provetta nella soluzione preparata utilizzando l'apparecchiatura dip-coating ad una velocità di 5 mm / min. Tenere il pezzo di prova rivestito in un forno a 120 ° C per 1 ora.
  5. Preparare 2, 4, e 8 modelli ibridi interlined con diversi orientamenti lungo la direzione assiale (come mostrato in figura 1) utilizzando la seguente procedura.
    1. Mascherare l'area da non rivestito utilizzando il nastro isolante secondo il numero richiesto di interlining con il giusto orientamento (per la superficie 2-interlinea in un orientamento 0 °, regolare interlining al centro e la zona superidrofilia (superficie da rivestire) sulla il lato superiore. D'altra parte, per l'orientamento 90 °, regolare un'interlinea nella parte superiore e un altro in basso e per l'orientamento 180 °, regolare zona superidrofilia in basso e le interlining al centro. Analogamente, regolare la posizione dei 4, 8 superfici interlined con il differente orientation come mostrato in Figura 1).
    2. Immergere la provetta mascherato nella soluzione preparata utilizzando un apparecchio di rivestimento a immersione, immersione ad una velocità di immersione elevato e luogo ad una lenta velocità di 5 mm / min. Tenere il pezzo di prova rivestito in un forno a 120 ° C per 1 ora.
    3. Rimuovere il nastro isolante dalla maschera per ottenere il numero necessario di interlining con il corretto orientamento.

figure-protocol-2677
Figura 1. selezione di vari interlined superfici. (a) Schema di varie superfici interlined con diversi orientamenti. Il rapporto di una superficie di rame piana ed una superficie superidrofilia area è 1: 1 in tutte le condizioni. criteri di selezione (b) di orientamento. (c) vista isometrica del 2 interlinea 0 ° angolo di superficie orientata. Orientamento viene selezionato come l'angolo tra la linea di base e di rivestimentomezzeria del primo modello idrofilo dal lato superiore e si misura in senso orario. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Procedura sperimentale

  1. Utilizzando il nastro isolante, fissare un tubo di vetro in ogni base circolare della provetta rivestita.
  2. Orizzontalmente risolvere questo assieme alla camera 140- x 140- x 160 mm (come mostrato in figura 2) con pasta di silicone secondo la posizione richiesta di interlining.
  3. Posizionare un 550-W, diametro 18 mm, e 40 mm lungo riscaldatore a cartuccia con una pellicola sottile di pasta termica sulla superficie circonferenziale nel foro della provetta.
  4. Collegare il riscaldatore a cartuccia ad un'unità di alimentazione a corrente continua (DC).
  5. Posto T-termocoppie nelle 8 fori 1 mm equidistanziate, con profondità alternati su 5 e 7 mm, come mostrato in figura3 Collegarli al data logger.
  6. Inserire e fissare termoresistenze (RTD), un condensatore a riflusso, e un riscaldatore ausiliario negli spazi previsti sul coperchio superiore. fissarli sopra la camera di ebollizione.
  7. Riempire 1.400 ml di acqua DI nella camera piscina bollente.
  8. Collegare il condensatore a riflusso per una camera di raffreddamento che viene mantenuta a 5 ° C.
  9. Prima dell'esperimento, l'ebollizione l'acqua DI nella camera piscina-bollente per 30 minuti usando il riscaldatore ausiliario.
  10. Mantenere l'acqua DI nella condizione di ebollizione satura utilizzando il riscaldatore ausiliario. Successivamente, accendere l'alimentazione e fornire una corrente iniziale di 0,1 A.
  11. Attendere per 2 minuti al fine di raggiungere uno stato stazionario. Quindi, aumentare la corrente elettrica con incrementi di 0,3 A.
  12. Registrare la temperatura a ciascun ingresso di potenza utilizzando il datalogger. Continuare l'esperimento fino al raggiungimento di una corrente massima di 4 A. Nel frattempo, registrare la dinamica bolla f o ciascun ingresso di alimentazione utilizzando una telecamera CCD posta di fronte alla piscina bollente camera, che si concentra sul provino.

figure-protocol-5610
Figura 2. Schema della Camera Pool-bollente. tubi di vetro sono collegati ad entrambi i lati del cilindro cavo in rame con pasta di silicone. Questo è fissato alla camera piscina ebollizione con pasta di silicone. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figure-protocol-6117
Figura 3. Posizionamento termocoppia. 8 termocoppie sono collocati all'interno dei fori 1 mm di diametro circonferenzialmente collocati provetta ad un diametro di 20 mm. Le profondità di fori del diametro di 1 mm alternativi sono fissati a 5 mm e 7 mm./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3. Riduzione dei dati

  1. Calcolare l'apporto di calore (Q) utilizzando la seguente equazione 19
    Q = I V (1)
    NOTA: I e V sono la corrente di ingresso in ampere e la tensione in volt, rispettivamente.
  2. Valutare la perdita di calore (perdita Q) dalle due superfici laterali utilizzando la formula 19:
    figure-protocol-7044 (2)
    NOTA: k è la conducibilità termica del rame; T 7 mm e T 5 mm non sono i valori medi della temperatura a profondità di 7 mm e 5 mm, rispettivamente; Ax (2 mm) è la differenza tra le profondità; e
    figure-protocol-7347 è l'area della sezione trasversale del test p IECE.
  3. Determinare il flusso di calore (q '') utilizzando la seguente formula 19:
    figure-protocol-7603 (3)
    NOTA: A = π d o l è la zona circonferenziale della provetta.
  4. Calcolare il surriscaldamento parete (usando la seguente equazione 19:
    figure-protocol-7875 (4)
    NOTA: T m è la media di T 7 mm e T 5 mm, è la lunghezza della provetta, r o (12.5 mm) raggio esterno della provetta, r m (10 mm) raggio della provetta alla misurazione fori, e T sAT è la temperatura di saturazione di acqua dI, come illustrato nella figura 4.
  5. Calcolare l'HTC (α) utilizzando la seguente formula 19:
    PLOAD / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8476
Figura 4. Schema di Wall Analisi temperatura. temperatura di parete è calcolato utilizzando la media temperatura misurata e conosciuto cilindrica resistenza termica. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Risultati

Esperimenti termodistributori piscina-bollente sono state condotte su una superficie cilindrica bagnabile ibrido usando l'apparato sperimentale il cui schema è mostrato in figura 5. La procedura sperimentale piscina-bollente spiegato nel passaggio 2 della sezione protocollo è stato effettuato con successo mentre indaga l'effetto del numero di interlining e dell'orientamento del modello bagnabile ibrida sul rendimento piscina-bollente. Le prestazioni piscina...

Discussione

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...

Divulgazioni

The authors declare that they have no competing financial interests.

Riconoscimenti

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).

Materiali

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

Riferimenti

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

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