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요약

풀 비등 열전달 실험 열 전달 계수 (HTC)의 혼합 수화제 패턴의 영향을 관찰하기 위해 수행되었다. 조사의 매개 변수는 interlines 수 및 습윤 표면 개질의 패턴 방향이다.

초록

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.

서문

10-10을 5 W의 범위 인 냉각 제공 고열 플럭스 시스템 유지 / cm 2 전자 방위, 항공 및 핵 발전의 새로운 분야에서 요구된다. 종래의 냉각 공기로 인해 자유 - 강제 대류 조건 모두 낮은 열 전달 계수 (HTC) 이러한 애플리케이션에 충분하다. 1000 W / cm 2 - 1과 같은 풀비 같은 상 변화 계 냉각 기술은 끓는 흐름 (10)의 순서로 높은 열유속 제거에 충분하다. 2 상 열전달 과정이 등온 때문에, 냉각 장치의 온도는, 그 표면 위에 거의 일정하다. 인해 표면을 따른 온도의 변화를 무시할 수있는 장치의 열충격이 제거 될 수있다. 그러나, 열전달 끓는 주요 파라미터는 제한 온도에서 2 이상 상승을 일으키는 임계 열유속 (CHF)은 인 .

지난 수십 년간, 광범위한 연구가 표면 개질, 나노 유체, 및 표면 코팅 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11을 사용하여 CHF를 개선하기 위해 수행되었다. 여러 가지 방법 중에서, 표면 코팅으로 인해 표면적의 상당한 증가에 CHF을 개선하는 가장 좋은 방법으로 발견된다. 표면 코팅은 일반적으로 핀 작용 효과 다공성 및 표면 습윤성 (12)에 의한 열 전달을 증가시킨다. 표면의 젖음성은 열 전달 비등에 중요한 역할을한다. 이전의 연구는 낮은 열유속 조건에서, 소수성 표면으로 인해 초기 핵으로 더 HTC 표시되는지 보여준다. 그러나,에높은 열유속은, 형성된 기포의 분리로 인해 표면을 향해 물 낮은 친화력으로 느리다. 이 기포 합체 리드와 하부 CHF 3 초래한다. 한편, 친수성 표면으로 인해 형성된 기포의 고속 박리, 높은 CHF를 생성하지만 인해 기포 핵 (13)의 지연, 낮은 열 플럭스로 하부 HTC를 준다.

하이브리드 구조로 인해 소수성 및 친수성 (14), (15, 16)의 결합 효과에 대한 모든 열 플럭스 열전달 비등 현저한 향상을 보여준다. 슈는 등. 초 친수성 실리콘 코팅하여 제조 된 이종 습윤 표면을 마스크 표면에 구리 나노 입자. 그들은 코팅 시간을 변경하여 다른 젖음성 비율을 달성했다. 비등 개시는 H에 비해 불균일 표면에 발생 이전실질적으로 감소 omogeneous 벽 표면 (17)을 과열. 조 등. 친수성, 소수성, 이종 습윤면에 핵 비등 열전달 연구를 수행 하였다. 균질 습윤 표면은 친수성 표면 소수성 도트 패턴으로 구성 하였다. 그들은 높은 HTCs 및 친수성 표면에 비해 이종의 표면 같은 CHF를 얻었다. 열전달 비등 향상 직접 표면 및 끓는 조건에 따라 18 점의 개수에 의존한다.

본 연구에서는 축 하이브리드 습윤성 패턴은 딥 코팅 기술을 이용하여 원통형의 구리 표면 상에 제작 하였다. 풀 비등 열전달 연구 interlines 수의 하이브리드 습윤성 패턴의 배향의 영향을 결정하기 위해 수행되었다. 끓는 열유속, HTC, 거품 역학은 모두 코팅 기판 우리 분석 하였다구리 기판과 비교 재.

프로토콜

수정 된 표면의 제조 1

  1. 수동 # 2000 에머리를 사용하여 15 분 동안 시험편 (중공 구리 실린더 40 mm의 길이 (l), 25 mm의 외경 (d 오)로하고, 18 mm의 내경 (d의 Ⅰ)) 연마 종이. DI 물 다음 아세톤으로 세척하여 광택 표면을 청소합니다.
  2. 120 ℃의 일정 온도에서 2 시간 동안 오븐에서 연마 된 시험편을 놓는다.
  3. 다음 단계를 사용하여 초 친수성의 SiO2 나노 입자 용액을 준비합니다.
    1. 테트라에 톡시 실란 및 DI 워터의 몰비 4 : 1을 혼합하여 용액 A를 준비한다. 37 %의 2 방울을 A 액에 염산을 농축하고, 2 시간 동안 교반 추가.
    2. 에탄올 및 DI 물의 몰비 3 : 1 혼합하여 용액 B를 만든다.
    3. 용액 B의 80 mL의 A 액 1 ㎖를 혼합하고 2 시간 동안 교반한다.
    4. 준비된 SOLU에의 SiO2 나노 입자 (40 나노 미터 직경) 32 g을 넣고1 시간 동안 기 저어.
  4. 5mm / min의 속도로 딥 코팅 장치를 이용하여 제조 한 용액에 시편을 담근다. 1 시간 동안 120 ℃의 오븐에서 코팅 된 시편을 유지.
  5. 다음 단계를 사용하여 (도 1 참조)의 축 방향을 따라 서로 다른 방향으로 2, 4, 8 환승 할 하이브리드 패턴을 준비한다.
    1. 중심과 초 친수성 영역에 도포되는 (영역) 상에 interlines을 조정 영역을 마스크 0 ° 방향에서의 2 인터 표면에 적절한 방향 (함께 interlines 필요한 수에 따른 절연 테이프를 사용하여 코팅되지하도록 상측. 한편, 90 ° 방향에 대해, 아래쪽 상단과 다른 하나 인터을 조정하고 180 ° 방향에 대해, 초 친수성 아래쪽 영역 및 중앙의 interlines을 조정한다. 유사하게, 조정 다른 출력과 4, 8 개면의 위치 환승 할rientation로서도 1에 도시).
    2. 5mm / 분의 느린 속도에서 높은 핑 속도 및 상승에 침지 코팅 장치, 딥을 이용하여 제조 된 용액에 마스크 시험편을 담근다. 1 시간 동안 120 ℃의 오븐에서 코팅 된 시편을 유지.
    3. 올바른 방향으로 interlines 필요한 수를 얻기 위해 마스킹 영역에서 절연 테이프를 분리.

figure-protocol-1344
도 1 다양 환승 할 표면의 선택. 다른 방향으로 다양한 환승 할 표면 (a) 회로도. 모든 조건에서 1 : 일반 구리 표면과 초 친수성 표면의 면적의 비는 1이다. (b) 방향 선택 기준. (c) 2 인터 0 ° 각도로 배향 된 표면의 투시도. 오리엔테이션 기준선과 코팅 사이의 각도로서 선택된다중앙 상부 측으로부터 제 친수성 패턴의 라인과는 시계 방향으로 측정된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 실험 절차

  1. 절연 테이프를 사용하여 피복 된 시험편의 각각의 원형베이스에 한 유리관을 고정한다.
  2. interlines의 필요한 위치에 따른 실리콘 페이스트를 이용하여 (도 2에 도시 된 바와 같이) 가로 140- 140- X X 160 mm 챔버에이 어셈블리를 고정한다.
  3. 550 W, 18 mm 직경, 및 시험편의 구멍에 둘레 영역 열 페이스트의 박막을 40 mm 길이의 카트리지 히터를 배치했다.
  4. 직류 (DC) 전원 공급 장치에 카트리지 히터를 연결한다.
  5. 도 5와 같이 mm, 7 mm의 깊이가 다른 8 개의 등 간격 1 mm 구멍에 배치 T 형 열전대3 데이터 로거에 연결합니다.
  6. 상부 커버에 형성된 공간에 (RTD), 환류 ​​응축기 및 보조 히터를 삽입하고 저항 온도 검출기를 고정한다. 끓는 실 이상을 수정합니다.
  7. 풀 비등 챔버로 DI 물 1,400 mL로 채 웁니다.
  8. 5 ℃에서 유지되는 냉각 실에 환류 응축기를 연결한다.
  9. 실험 전에 격렬하게 보조 히터를 사용하여 30 분 동안 풀 비등 챔버의 DI 물을 끓인다.
  10. 상기 보조 히터를 사용하여 포화 비등 상태에서 DI 워터를 유지. 이어서, 전원을 켜고 0.1 A. 초기 전류를 제공
  11. 정상 상태에 도달하기 위해 2 분 기다립니다. 이어서, 0.3 A. 단위로 전류를 증가
  12. 데이터 로거를 사용하여 각각의 입력 전력에서의 온도를 기록한다. 4 (A)의 최대 전류에 도달 할 때까지 실험을 계속합니다. 한편, 기포의 강약을 기록 또는 CCD 카메라를 이용하여 각각의 전원 입력 시험편에 집중 풀 비등 실의 전방에 배치.

figure-protocol-2809
풀 비등 회의소 그림 2. 도식. 유리 튜브는 실리콘 페이스트 중공 구리 실린더의 양측에 접속된다. 이것은 실리콘 페이스트 풀 비등 실에 고정되어있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-protocol-3135
3. 열전대 위치를 그림. 8 열전대의 직경이 20mm의 시험편 대신 원주 1 개 mm 직경의 구멍 안에 위치한다. 다른 직경 1mm의 구멍의 깊이가 각각 5mm 7mm로 고정된다./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg "target ="_ blank "> 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 데이터 감소

  1. 다음 수학 식 19을 이용하여 입 열량 (Q)을 계산
    Q = I V (1)
    주 : I 및 V는 각각 A의 입력 전류 및 볼트 단위의 전압이다.
  2. 식 (19)를 사용하여 양측면으로부터 열 손실 (Q 손실)를 추정 :
    figure-protocol-3694 (2)
    주 : K 구리의 열전도율이고; T 및 T 7mm 5mm가 7mm 각각 5mm, 깊이에서의 온도의 평균 값이고; ΔX (2 mM)을 깊이 사이의 차이이고; 과
    figure-protocol-3886 테스트 (p)의 단면적은 IECE.
  3. 하기 식 (19)을 사용하여 (Q '를') 열유속를 결정
    figure-protocol-4059 (삼)
    주 : A = π (D)의 입출력 L은 시편의 원주 영역이다.
  4. 다음 식 (19)를 사용하여 벽면 과열을 (계산 :
    figure-protocol-4257 (4)
    주 : T의 m은 T 7mm 및 T 5mm의 평균 인 상기의 시험편 (R)의 출력 (12.5 mm) 시험편의 외 반경 (R)의 m (10mm) 시험편의 반경의 길이는 도 4에 도시 된 바와 같이 구멍을 측정하고, T가 앉아서하는 DI 워터의 포화 온도이다.
  5. 하기 식 (19)를 사용하여 HTC (α)을 계산한다 :
    PLOAD / 55,387 / 55387eq5.jpg "/> (5)

figure-protocol-4712
벽 온도 분석 그림 4. 회로도. 벽 온도는 측정 된 평균 온도 및 공지 원통형 열 저항을 사용하여 계산된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

결과

풀 비등 열전달 실험 개략도,도 5에 도시 된 실험 구성을 사용하여 하이브리드 습윤성 원통면에서 수행 하였다. interlines의 수와 풀 비등 성능 하이브리드 습윤성 패턴의 배향의 영향을 조사하면서 풀 비등 실험 절차는 프로토콜 부분의 2 단계에서 설명을 성공적으로 수행 하였다. 벽 과열 대 열유속 열유속 대 HTC : 다른 처리 표면의 풀 비등 공연 그래프의 관점...

토론

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...

공개

The authors declare that they have no competing financial interests.

감사의 말

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).

자료

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

참고문헌

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