Бассейн-Кипение теплопередающие Enhancement на цилиндрических поверхностях с Гибридным смачиваемых Patterns

Резюме

Эксперименты теплообменного бассейна кипения были проведены, чтобы наблюдать эффекты гибридных смачиваемых узоров на коэффициенте теплопередачи (HTC). Параметры исследования являются количеством interlines и ориентация модели модифицированной смачиваемой поверхности.

Аннотация

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.

Введение

Высокий тепловой поток поддержания системы , обеспечивающей охлаждение в диапазоне 10-10 ⁵ Вт / см ² требуется в новых областях электроники, обороны, бортового оборудования, а также развитие ядерного устройства. Обычные охлаждение воздуха является недостаточным для этих применений из-за низкий коэффициент теплопередачи (HTC) для обоего свободно-и принудительной конвекции условий. Методы охлаждения с изменением фазы на основе, например, кипении и поток кипящей, достаточно хорошо , чтобы удалить высокие тепловые потоки на порядка 10 - 1000 Вт / см ^{2 1.} Так как процесс теплопередачи двухфазного изотермический, охлажденная температура устройства почти постоянна по его поверхности. Из-за незначительной вариации температуры вдоль поверхности, тепловой шок устройства могут быть устранены. Тем не менее, основной ограничивающий параметр в кипящей теплопередачу является критическим тепловым потоком (CHF), который вызывает аномальное повышение температуры ² .

В течение последних нескольких десятилетий, обширное исследование было проведено с целью улучшения CHF с помощью модификации поверхности, наножидкостей и поверхностных покрытий ^{3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11.} Среди различных методов, поверхностные покрытия оказываются лучший способ улучшить CHF за счет существенного увеличения площади поверхности. Поверхностные покрытия как правило , увеличивают передачу тепла за счет действия плавника, пористости и эффектов, смачиваемости поверхности ^12. Смачиваемость поверхности играет существенную роль в кипящей теплопередачу. Предыдущие исследования показали, что при более низких тепловых потоках условий, гидрофобная поверхность показывает лучше HTC из-за раннее зарождение. Тем не менее, ввыше, поток тепла, отряд образовавшихся пузырьков происходит медленно из-за низкой аффинностью воды к поверхности. Это приводит к коалесценции пузырьков и приводит к более низкой CHF ^3. С другой стороны, гидрофильная поверхность приводит к более высокой CHF, из-за быстрый отрыв образованных пузырьков, но это дает более низкую HTC при низких тепловых потоках, из - за задержки в пузырях ^13.

Эти гибридные структуры показывают замечательное улучшение в кипящую теплопередачу для всех тепловых потоков за счет комбинированного эффекта гидрофобности и гидрофильности ^{14, 15, 16.} Хсу и др. получают гетерогенную смачиваемая поверхность пути покрытия superhydrophilic Si наночастиц на маскированную поверхности меди. Они достигли различных соотношений смачиваемости путем изменения времени нанесения покрытия. Начала кипения произошло раньше на гетерогенных поверхностях по сравнению с чomogeneous поверхность, которая , по существу , уменьшить перегрев стенки ^17. Джо и соавт. провел исследование теплоотдачи пузырькового кипения на гидрофильных, гидрофобные и гетерогенные смачивающие поверхностях. Гетерогенной смачивающий поверхность состоит из гидрофобных узорчатых точек на гидрофильной поверхности. Они получили более высокие HTCs и тот же CHF на гетерогенной поверхности по сравнению с гидрофильной поверхностью. Улучшение в кипящую теплопередачу напрямую зависит от количества точек на поверхности , так и от условий кипения ^18.

В этом исследовании, осевые гибридные смачиваемые образцы были изготовлены на цилиндрическую медную поверхность с использованием методы нанесения покрытия погружения. Бассейн кипения исследований теплообмена были проведены, чтобы определить влияние числа interlines и ориентации гибридного смачиваемого узора. Кипячение теплового потока, HTC, и динамика пузырьков были проанализированы на подложках, покрытых все, и мыповторно по сравнению с медной подложкой.

протокол

1. Подготовка поверхностей модифицированных

1. Вручную полировать испытательный образец (полый медный цилиндр с длиной 40 мм (L), 25-мм внешний диаметр (d _о), и 18-мм внутренний диаметр (D _I)) в течение 15 мин с использованием # 2000 наждачной бумага. Очистите полированную поверхность путем промывки его с ацетоном с последующим деионизированной водой.
2. Поместите полированную испытательный образец в сушильном шкафу в течение 2 ч при постоянной температуре 120 ° С.
3. Приготовьте superhydrophilic SiO ₂ раствор наночастиц , используя следующие шаги.
   1. Готовит раствор А при смешивании 1: 4 молярных соотношений тетраэтоксисилана и деионизированной воды. Добавьте 2 капли 37% концентрированной соляной кислоты к раствору А и перемешивали в течение 2 ч.
   2. Сделать раствор B путем смешивания 1: 3 молярное соотношение этанола и деионизированной воды.
   3. Смешайте 1 мл раствора А до 80 мл раствора Б и перемешивают в течение 2 ч.
   4. Добавьте 32 г наночастиц SiO ₂ (диаметр 40 нм) на подготовленную Солуции и перемешивают в течение 1 ч.
4. Погружают в испытуемый образец полученного раствора с использованием устройства для нанесения покрытия погружением со скоростью 5 мм / мин. Хранить с покрытием испытуемый образец в сушильном шкафу при 120 ° С в течение 1 ч.
5. Подготовьте 2, 4 и 8 interlined гибридных моделей с различной ориентацией вдоль осевого направления (как показано на рисунке 1) , используя следующие шаги.
   1. Маска области, чтобы быть без покрытия с использованием изоляционной ленты в соответствии с требуемым количеством interlines с правильной ориентацией (для 2-интерлайн поверхности при 0 ° ориентации, отрегулировать interlines в центре и superhydrophilic области (область должны быть покрыто) на верхняя сторона. с другой стороны, для ориентации 90 °, отрегулировать один интерлайн в верхней, а другой в нижней части и для ориентации на 180 °, отрегулировать superhydrophilic область на дне и interlines в центре. Аналогичным образом, регулировать положение 4, 8 interlined поверхностей с различными Orientation , как показано на рисунке 1).
   2. Погружает в маске испытательного образца в приготовленном растворе с использованием устройства для нанесения покрытия погружения, погружения с высокой скоростью погружения и подъем на медленной скорости 5 мм / мин. Хранить с покрытием испытуемый образец в сушильном шкафу при 120 ° С в течение 1 ч.
   3. Удалите изоляционную ленту с маскированной области, чтобы получить требуемое количество interlines с правильной ориентацией.

Рисунок 1. Выбор различных Interlined поверхностей. (а) Схема различных interlined поверхностей с разной ориентацией. Отношение площади простой медной поверхности и superhydrophilic поверхности составляет 1: 1 в любых условиях. Критерии выбора (б) ориентации. (с) изометрический вид 2 интерлайн 0 ° угла ориентированной поверхности. Ориентация выбрана как угол между базовой линией и покрытиемцентральная линия первого гидрофильного рисунка с верхней стороны и измеряется в направлении по часовой стрелке. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Методика экспериментальной

1. Используя изоляционную ленту, фиксирует одну стеклянной трубку на каждом круговое основании с покрытием испытательного образца.
2. Горизонтально исправить эту сборку в 140- х 140- х 160-мм камеры (как показано на фиг.2) с использованием кремниевой пасты согласно требуемой позиции interlines.
3. Поместите 550 Вт, диаметр 18 мм и 40 мм длиной нагревателя картриджа с тонкой пленкой термопасты на периферийную области в отверстие испытательного образца.
4. Подключение нагревателя картриджа к постоянного тока (DC) блока питания.
5. Место Т-типа термопары в 8 равномерно разнесенных 1-мм отверстия, с альтернативными глубины 5 мм и 7 мм , как показано на рисунке3 Подключите их к регистратору данных.
6. Вставить и зафиксировать резистивные датчики температуры (RTD), обратный холодильник, и вспомогательный нагреватель в специально отведенных местах на верхней крышке. Закрепите их через испарительную камеру.
7. Заполните 1400 мл деионизированной воды в камеру бассейна кипения.
8. Подключение обратным холодильником в охлаждающую камеру, которая поддерживается при температуре 5 ° C.
9. До начала эксперимента, энергично варить DI воды в камере бассейна кипения в течение 30 мин с помощью вспомогательного нагревателя.
10. Хранить DI воды в насыщенном состоянии кипения с помощью вспомогательного нагревателя. Затем включите источник питания и дать начальный ток 0,1 А.
11. Подождите в течение 2 мин, чтобы достичь устойчивого состояния. Затем увеличить электрический ток с шагом 0,3 А.
12. Записывают температуру при каждой входной мощности с помощью регистратора данных. Продолжить эксперимент до тех пор, максимальный ток 4 А пока не будет достигнут. В то же время, запись динамики пузырька п или каждый входная мощности с помощью ПЗС-камеры, расположенных перед камерой бассейна температуры кипения, которая ориентирована на опытном образце.

Рисунок 2. Схема Pool-испарительную камеру. Стеклянные трубки соединены с обеих сторон полого медного цилиндра с кремниевой пастой. Это крепится к камере бассейна с температурой кипения силиконовой пастой. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Термопара позиционирования. 8 Термопары помещают внутрь отверстия диаметром мм 1 по окружности в месте испытательного образца при диаметре 20 мм. Глубина альтернативных отверстий диаметром 1 мм фиксируются на 5 мм и 7 мм соответственно./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

3. Снижение данных

1. Вычислить подвод тепла (Q), используя следующее уравнение ¹⁹
   Q = I В (1)
   Примечание: Я и V является входным током в амперах и напряжение в вольтах, соответственно.
2. Оценка потерь тепла (Q _{потеря)} от двух боковых поверхностей с использованием формулы ^19:
   (2)
   Примечание: К является теплопроводность меди; Т _{7 мм} и Т _{5 мм} являются средними значениями температуры на глубинах от 7 мм и 5 мм соответственно; ? X (2 мм) представляет собой разность между глубинами; а также
   площадь поперечного сечения испытуемого р IECE.
3. Определение теплового потока (Q ') с помощью следующей формулы ^19:
   (3)
   Примечание: А = π д _о л окружная площадь испытуемого образца.
4. Вычислить перегрев стенки (используя следующее уравнение ^19:
   (4)
   Примечание: Т _м представляет собой среднее значение Т _{7 мм} и T _{5 мм,} длина испытательного образца, г _о (12,5 мм) внешний радиус испытательного образца, г _м (10 мм) радиус испытательного образца в то измерения отверстий, и Т _сидел температура насыщения деионизированной воды , как показано на рисунке 4.
5. Вычислить HTC (а) с помощью следующей формулы ^19:
   pload / 55387 / 55387eq5.jpg»/> (5)

Рисунок 4. Схема анализа температуры стены. температура стенки вычисляются с использованием измеренной средней температуры и известным цилиндрическим тепловое сопротивления. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Результаты

Эксперименты теплообменного бассейна кипения были проведены на гибридное смачиваемоге цилиндрической поверхности с помощью экспериментальной установки которого схематически показан на рисунке 5. Экспериментальная процедура бассейна кипения описано в ша...

Обсуждение

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...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Deionized water
Silica nanopowder,40 nm	UniRegion Bio-Tech	60676860
Ethanol	ECHO Chemical co. Ltd	64175
Hydrochloric acid	SHOWA Chemical co. Ltd.	7647010
Tetraethoxysilane	SHOWA Chemical co. Ltd.	78104
Acetone	UNI-ONWARD CORP.	67641
Cartridge Heater	Chung Shun Heater & Instrument Co, Ltd.
Pyrex glass	Automotive Glass service , Taiwan
Ordinary toughened glass	Automotive Glass service , Taiwan
Thermal paste	Electrolube	EG-30
Insulation Tape	Chuan Chi Trading Co. Ltd	Kapton Tape
Sandpaper	Chuan Chi Trading Co. Ltd	#2000
Heating furnace	Chung Chuan	Hong Sen HS-101
Electronic scales	A&D co. Ltd	GX400
Ultrasonic cleaner	Bransonic	Bransonic 3510
Magnet stirrer	Yellow line	MST D S1
Data logger	Yokogawa	MX-100
CCD camera	JVC	LY35862-001A
Silicon paste	Permatex	599BR
Power supply	Gwinstek	GPR-20H50D
Teflon tape	Chuan Chi Trading Co. Ltd	CS170000
Contact Angle Goniometer	Sindatek	Model 100SB
Auxiliary Heater	Chuan Chi Trading Co. Ltd
T- type thermocouples	Chuan Chi Trading Co. Ltd
Reflux Condenser	Chuan Chi Trading Co. Ltd
Fiber glass	Professional Plastics, Taiwan