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Resumo

experiências de transferência de calor em ebulição piscina foram realizados para observar os efeitos de padrões molháveis ​​híbridos sobre o coeficiente de transferência de calor (HTC). Os parâmetros de investigação são o número de entrelinhas e a orientação do padrão de superfície molhável modificado.

Resumo

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.

Introdução

Um sistema de alta calor de fluxo-sustentada proporcionando arrefecimento na gama de 10-10 maio W / cm2 é necessária nos campos emergentes da electrónica, defesa, aviónica, e desenvolvimento de dispositivo nuclear. de arrefecimento convencional com ar é insuficiente para estas aplicações, devido ao coeficiente de transferência de calor baixo (HTC) para ambas as condições Free- e de convecção forçada. As técnicas de arrefecimento à base de mudança de fase, tais como piscina de ebulição e fluxo de ebulição, são suficientemente boas para remover fluxos de calor elevadas da ordem de 10 - 1000 W / cm 2 1. Uma vez que o processo de transferência de calor de duas fases é isotérmica, a temperatura do dispositivo arrefecida é quase constante ao longo da sua superfície. Devido à variação insignificante da temperatura ao longo da superfície, o choque térmico do dispositivo pode ser eliminado. No entanto, a principal limitação em ebulição parâmetro de transferência de calor é o fluxo crítico de calor (ICC), o que provoca um aumento anormal da temperatura dois .

Nas últimas décadas, uma extensa pesquisa foi realizada para melhorar a CHF usando modificação da superfície, nanofluidos, e revestimentos de superfície 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Entre os vários métodos, revestimentos de superfície são encontrados para ser o melhor método para melhorar a CHF devido ao aumento substancial na área de superfície. Os revestimentos superficiais geralmente aumentar a transferência de calor por acção da aleta, efeitos de porosidade, e molhabilidade da superfície 12. molhabilidade da superfície desempenha um papel significativo na fervura de transferência de calor. Estudos anteriores mostram que, em condições de calor de fluxo mais baixas, a superfície hidrofóbica mostra melhor HTC devido ao início de nucleação. No entanto, amaior fluxo de calor, o desprendimento das bolhas formadas é lento devido à baixa afinidade de água em direcção à superfície. Isto leva a bolha coalescência e resulta numa menor 3 CHF. Por outro lado, uma superfície hidrofílica produz um CHF mais elevado, por causa do rápido desprendimento das bolhas formadas, mas dá uma HTC inferior a fluxos de calor de baixo, devido ao atraso na bolha 13 de nucleação.

As estruturas híbridas mostram uma melhoria notável em ebulição de transferência de calor para todos os fluxos de calor devido ao efeito combinado de hidrofobicidade e hidrofilicidade 14, 15, 16. Hsu et al. produzido superfície molhável heterogénea por revestimento super-hidróf ila Si nanopartículas sobre uma superfície de cobre mascarado. Conseguiram diferentes rácios de molhabilidade, variando o tempo de revestimento. O início da ebulição ocorreu mais cedo nas superfícies heterogéneos em comparação com o homogeneous superfície, o que reduziu substancialmente a parede 17 sobreaquecer. Jo et al. realizados estudos de transferência de calor de ebulição nucleada em superfícies de molhagem hidrofílicas, hidrofóbicas, e heterogéneas. A superfície molhante heterogénea foi composta por pontos estampados hidrofóbicas na superfície hidrofílica. Eles tem HTCs mais elevados e ao mesmo CHF para a superfície heterogénea, em comparação com a superfície hidrofílica. Uma melhoria na fervura de transferência de calor depende diretamente do número de pontos na superfície e sobre as condições de ebulição 18.

Neste estudo, os padrões molháveis ​​híbridos axiais foram produzidas sobre uma superfície de cobre cilíndrica utilizando a técnica de revestimento por imersão. -Pool ebulição estudos de transferência de calor foram conduzidos para determinar os efeitos do número de entrelinhas e da orientação do padrão molhável híbrido. Ebulição do fluxo de calor, HTC, e dinâmicas de bolha foram analisadas para todos os substratos revestidos e nósre em comparação com o substrato de cobre.

Protocolo

1. Preparação das superfícies modificadas

  1. Polir manualmente a peça de teste (cilindro oco de cobre com um comprimento de 40 mm (l), um diâmetro exterior de 25 mm (d o), e um diâmetro interno de 18 mm (d i)) durante 15 min, utilizando um # 2000 esmeril papel. Limpar a superfície polida, enxaguando-se com acetona seguida de água DI.
  2. Colocar a peça de teste polido numa estufa durante 2 h a uma temperatura constante de 120 ° C.
  3. Prepara-se uma solução super-hidróf ila nanopartícula SiO2 usando os seguintes passos.
    1. Preparar a solução A por mistura de 1: 4 proporções molares de tetraetoxisilano e ua DI. Adicionar 2 gotas de HCl concentrado 37% à solução A e agitou-se durante 2 h.
    2. Adicione a soluo B por mistura de uma razão de 1: 3 molar de etanol e de água Dl.
    3. Misturar 1 ml de solução A a 80 ml de solução B e agita-se durante 2 h.
    4. Adicionar 32 g de SiO 2 nanopartículas (diâmetro de 40 nm) para a solu preparadoção e mexa por 1 h.
  4. Mergulha-se o pedaço de teste na solução preparada por meio do aparelho de revestimento por imersão com uma velocidade de 5 mm / min. Manter a peça de teste revestidos num forno a 120 ° C durante 1 h.
  5. Preparar 2, 4, 8 e padrões dos híbridos interlined com diferentes orientações ao longo da direcção axial (como mostrado na Figura 1), utilizando os seguintes passos.
    1. Mascarar a área a não ser revestidos usando a fita de isolamento de acordo com o número requerido de entrelinhas com a orientação correcta (para a superfície 2-interlinha em uma orientação de 0 °, ajustar Interlines no centro e a área de super-hidróf ila (área a ser revestida) sobre o lado de cima. por outro lado, para a orientação de 90 °, ajustar uma entrelinha na parte superior e outra na parte inferior e para a orientação de 180 °, ajustar a área de super-hidróf ila, na parte inferior e as entrelinhas no centro. do mesmo modo, ajustar o posição dos 4, 8 superfícies interlined com o diferente órientation como mostrado na Figura 1).
    2. Mergulha-se o provete mascarado na solução preparada por meio de um aparelho de revestimento por imersão, mergulho a uma velocidade de imersão e de alta origem a uma velocidade lenta de 5 mm / min. Manter a peça de teste revestidos num forno a 120 ° C durante 1 h.
    3. Remover a fita de isolamento a partir da área mascarada para se obter o número necessário de entrelinhas com a orientação correcta.

figure-protocol-2647
Figura 1. Selecção de várias superfícies interlined. (a) Esquema das várias superfícies interlined com orientações diferentes. A relação de uma superfície de cobre liso e uma superfície super-hidróf ila área é de 1: 1 em todas as condições. critérios de selecção (b) a orientação. (c) vista isométrica de dois interlinha superfície orientada a 0 ° ângulo. Orientação é seleccionado como o ângulo entre a linha de base e de revestimentoA linha central do primeiro padrão hidrófilo do lado de cima e que é medida numa direcção dos ponteiros do relógio. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Procedimento Experimental

  1. Usando a fita isolante, fixar um tubo de vidro, em cada base circular da peça de ensaio revestido.
  2. Horizontalmente fixar este conjunto para a câmara 140- 140- x x 160 mm (como se mostra na Figura 2) usando pasta de silicone de acordo com a posição requerida de entrelinhas.
  3. Coloque um 550-W, 18 mm de diâmetro, e aquecedor de cartucho 40 mm de comprimento com uma película fina de pasta térmica na área circunferencial no orifício da peça de teste.
  4. Ligar o aquecedor de cartucho para uma unidade de fonte de alimentação de corrente contínua (DC).
  5. Lugar do tipo T termopares para os 8 furos de 1 mm igualmente espaçados, com profundidades alternados de 5 milímetros e 7 mm, como mostrado na figura3 Ligue-los para o registrador de dados.
  6. Inserir e fixar detectores de temperatura de resistência (RTD), um condensador de refluxo, e um aquecedor auxiliar nos espaços proporcionados na tampa superior. Corrigi-los sobre a câmara de ebulição.
  7. Encha 1400 mL de água Dl para dentro da câmara de ponto de ebulição piscina.
  8. Ligar o condensador de refluxo a uma câmara de arrefecimento que é mantido a 5 ° C.
  9. Antes do experimento, ferver vigorosamente a água desionizada na câmara de ponto de ebulição piscina durante 30 min utilizando o aquecedor auxiliar.
  10. Manter a água Dl no estado de ebulição saturada usando o aquecedor auxiliar. Subsequentemente, ligar a fonte de alimentação e dar uma corrente inicial de 0,1 A.
  11. Esperar durante 2 minutos, a fim de atingir um estado de equilíbrio. Em seguida, aumentar a corrente elétrica com incrementos de 0,3 A.
  12. Registar a temperatura em cada entrada de energia usando o registador de dados. Continue a experiência até que uma corrente máxima de 4 A seja alcançado. Enquanto isso, registrar a bolha dinâmica f ou cada entrada de energia utilizando uma câmara CCD colocado em frente da câmara de ebulição de piscina, que é focado sobre a peça de teste.

figure-protocol-5619
Figura 2. Esquema da Câmara Pool-fervente. tubos de vidro são ligadas a ambos os lados do cilindro oco de cobre com pasta de silicone. Este é fixo na câmara de ponto de ebulição piscina com pasta de silicone. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-protocol-6105
Figura 3. Termopar Posicionamento. 8 termopares são colocados no interior dos furos de 1 mm de diâmetro de modo circunferencial no lugar peça de ensaio com um diâmetro de 20 mm. As profundidades dos furos de 1 mm de diâmetro alternados são fixas a 5 mm e 7 mm, respectivamente./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Redução de Dados

  1. Calcular a entrada de calor (Q) usando a seguinte equação 19
    Q = I V (1)
    NOTA: I e V são a corrente de entrada em amperes e a voltagem em volts, respectivamente.
  2. Estimar a perda de calor (perda Q) a partir das duas superfícies laterais, usando a fórmula 19:
    figure-protocol-7021 (2)
    NOTA: K é a condutividade térmica do cobre; T 7 mm e T 5 milímetros são os valores médios da temperatura a uma profundidade de 7 mm e 5 mm, respectivamente; ? X (2 mm) é a diferença entre as profundidades; e
    figure-protocol-7335 é a área da secção transversal do teste p IECE.
  3. Determinar o fluxo de calor (q ''), usando a seguinte fórmula 19:
    figure-protocol-7572 (3)
    NOTA: A = π d o L representa a área periférica da peça de teste.
  4. Calcular o sobreaquecimento parede (usando a seguinte equação 19:
    figure-protocol-7841 (4)
    NOTA: Tm representa a média de T 7 mm e t 5 mm, o comprimento da peça de ensaio, r o (12,5 mm), o raio externo do corpo de prova, r m (10 mm), o raio do provete no medição de furos, e T é sentou a temperatura de saturação de água DI, como mostrado na Figura 4.
  5. Calcular o HTC (α) com a seguinte fórmula 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8428
Figura 4. Esquema da Análise da temperatura da parede. temperatura da parede é calculada usando a temperatura média medida e conhecida resistência térmica cilíndrica. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

Experiências de transferência de calor de ponto de ebulição de piscina foram realizados sobre uma superfície cilíndrica molhável híbrido utilizando a disposição experimental cujo esquema está ilustrado na Figura 5. O procedimento experimental de ponto de ebulição piscina explicado no passo 2 da secção protocolo foi realizado com sucesso, para investigar o efeito do número de entrelinhas e da orientação do padrão molhável híbrido no desempenho de pont...

Discussão

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...

Divulgações

The authors declare that they have no competing financial interests.

Agradecimentos

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).

Materiais

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

Referências

  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).

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