يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تعزيز بركة الغليان نقل الحرارة على أسطواني السطوح مع أنماط قابل للبلل الهجين

8.5K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/55387

⸱

أبريل 10, 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

أجريت تجارب نقل الحرارة الغليان تجمع خارج لمراقبة آثار أنماط القابلة للبلل الهجينة على معامل نقل الحرارة (HTC). المعلمات التحقيق هي عدد interlines والتوجه نمط من سطح قابل للبلل تعديلها.

الملخص

في هذه الدراسة ، تم إجراء تجارب نقل الحرارة في غليان البركة للتحقيق في تأثير عدد التقاطعات واتجاه نمط الرطب الهجين. تم إنتاج أنماط هجينة قابلة للبلل عن طريق طلاء SiO2 فائق الماء على سطح نحاسي أسطواني مقنع وكاره للماء. باستخدام الماء منزوع الأيونات (DI) كسائل العمل ، تم إجراء دراسات نقل الحرارة في المسبح على أسطوانات نحاسية مختلفة معالجة سطحيا بقطر 25 مم وطول 40 مم. أظهرت النتائج التجريبية أن عدد الخطوط التداخلية واتجاه النمط الهجين القابل للبلل يؤثران على ارتفاع درجة حرارة الجدار و HTC. من خلال زيادة عدد الخطوط الداخلية ، تم تحسين HTC عند مقارنته بالسطح العادي. أشارت الصور التي تم الحصول عليها من كاميرا الجهاز المقترن بالشحن (CCD) إلى أن المزيد من الفقاعات تشكلت على التقاطعات مقارنة بالأجزاء الأخرى. أعطى النمط الهجين القابل للبلل مع القسم السفلي الكارهة للماء أفضل معامل نقل الحرارة (HTC). أشارت النتائج التجريبية إلى أن ديناميكيات الفقاعة للسطح هي عامل مهم يحدد غليان النواة.

المقدمة

نظام مكتفية تدفق الحرارة عالية وتوفير التبريد في حدود 10-10 مايو W / سم 2 مطلوب في المجالات الناشئة من الأجهزة الإلكترونية، والدفاع، وإلكترونيات الطيران، وتطوير جهاز النووية. التبريد التقليدية مع الهواء غير كافية لهذه التطبيقات نظرا لمعامل نقل الحرارة المنخفضة (HTC) لكل الظروف free- والقسري الحراري. تقنيات التبريد القائم على مرحلة تغيير، مثل الغليان تجمع وتدفق المغلي، هي جيدة بما فيه الكفاية لإزالة تدفقات ارتفاع الحرارة في حدود 10 - 1000 W / سم 2 1. وبما أن عملية نقل الحرارة على مرحلتين هو متساوي الحرارة، ودرجة حرارة جهاز تبريد ثابتة تقريبا على سطحه. نظرا لاختلاف يذكر في درجات الحرارة على طول السطح، والصدمة الحرارية من الجهاز يمكن القضاء عليها. ومع ذلك، فإن المعلمة الحد الرئيسية في الغليان نقل الحرارة هي الحرارة تدفق النقدي (CHF)، الذي يسبب ارتفاع غير طبيعي في درجة حرارة 2 .

في العقود القليلة الماضية، وقد تم تنفيذ بحوث واسعة لتحسين CHF باستخدام تعديل السطح، nanofluids، وسطح الطلاء 3، 4، 5، 6، 7، 8، 9، 10، 11. ومن بين أساليب مختلفة، تم العثور على مواد الطلاء ليكون أفضل طريقة لتحسين CHF بسبب الزيادة الكبيرة في مساحة السطح. مواد الطلاء بصورة عامة على زيادة نقل الحرارة عن طريق عمل الزعانف، والآثار المسامية، وبلل سطح 12. بلل سطح يلعب دورا هاما في الغليان نقل الحرارة. وتشير دراسات سابقة أنه في ظروف الحرارة تدفق أقل، والسطح مسعور يظهر HTC أفضل نظرا لالتنوي في وقت مبكر. ومع ذلك، فيارتفاع تدفق الحرارة، ومفرزة من الفقاعات تشكلت بطيئة نظرا لتقارب منخفضة من المياه نحو السطح. وهذا يؤدي إلى التحام فقاعة ويؤدي إلى انخفاض CHF 3. من ناحية أخرى، على سطح ماء ينتج CHF أعلى، بسبب انفصال سريع من الفقاعات تشكلت، لكنه يعطي HTC أقل في تدفقات درجة حرارة منخفضة، وذلك بسبب التأخير في فقاعة التنوي 13.

تظهر هياكل هجينة تعزيز ملحوظا في الغليان نقل الحرارة لجميع تدفقات الحرارة بسبب التأثير المشترك لللا مائية وhydrophilicity 14 و 15 و 16. هسو وآخرون. أنتج سطح قابل للبلل غير متجانسة بواسطة طلاء superhydrophilic سي النانوية على سطح النحاس ملثمين. حققوا نسب بلل مختلفة من خلال تغيير الوقت الطلاء. بداية الغليان وقع في وقت سابق على أسطح غير متجانسة بالمقارنة مع حسطح omogeneous، مما ادى الى تراجع كبير في جدار حمى 17. جو وآخرون. أجريت nucleate المغلي الدراسات نقل الحرارة على الأسطح ترطيب ماء، مسعور، وغير متجانسة. وتألفت لسطح التبول غير متجانسة من النقاط منقوشة مسعور على سطح ماء. لأنهم وصلوا HTCs أعلى ونفس CHF لسطح متجانسة بالمقارنة مع سطح ماء. تحسن في الغليان نقل الحرارة يعتمد بشكل مباشر على عدد من النقاط على السطح وعلى الظروف الغليان 18.

في هذه الدراسة، تم إنتاج المحوري أنماط القابلة للبلل الهجينة على سطح النحاس اسطوانية باستخدام تقنية تراجع الطلاء. أجريت السباحة المغلي الدراسات نقل الحرارة لتحديد الآثار المترتبة على عدد من interlines وتوجه نمط قابل للبلل الهجين. وقد تم تحليل الغليان تدفق الحرارة، HTC، وديناميات فقاعة لركائز كل المغلفة، ونحنإعادة مقارنة مع الركيزة النحاس.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد السطوح التعديل

  1. يدويا تلميع قطعة اختبار (جوفاء اسطوانة نحاسية بطول 40 ملم (ل)، يبلغ قطره الخارجي 25 ملم (د س)، ويبلغ قطرها الداخلي 18 ملم (د ط)) لمدة 15 دقيقة باستخدام الصنفرة # 2000 الورق. تنظيف سطح مصقول من قبل الشطف مع الأسيتون يليه الماء DI.
  2. ضع قطعة اختبار مصقول في الفرن لمدة 2 ساعة في درجة حرارة ثابتة من 120 ° C.
  3. إعداد superhydrophilic شافي 2 جسيمات متناهية الصغر حل باستخدام الخطوات التالية.
    1. يعد حل A عن طريق خلط 1: 4 نسب الرحى من سيلاني tetraethoxy والمياه DI. إضافة 2 قطرات من 37٪ حمض الهيدروكلوريك المركز إلى حل ألف ويحرك المزيج لمدة 2 ساعة.
    2. جعل حل B عن طريق خلط نسبة 1: 3 الرحى من الايثانول والماء DI.
    3. خلط 1 مل من محلول ألف إلى 80 مل من محلول B ويقلب لمدة 2 ساعة.
    4. إضافة 32 غرام من شافي 2 النانوية (قطرها 40 نانومتر) إلى المحاليل استعدادنشوئها ويقلب لمدة 1 ساعة.
  4. تزج قطعة اختبار في حل استعداد باستخدام جهاز تراجع طلاء على سرعة 5 مم / دقيقة. الحفاظ على قطعة اختبار المغلفة في الفرن على 120 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
  5. إعداد 2 و 4 و 8 أنماط هجينة interlined مع توجهات مختلفة على طول الاتجاه المحوري (كما هو موضح في الشكل رقم 1) باستخدام الخطوات التالية.
    1. قناع المنطقة المراد غير المصقول باستخدام الشريط العازل وفقا لعدد المطلوب من interlines مع التوجه السليم (لسطح 2-وتنسيقها في اتجاه 0 درجة، وضبط interlines في المركز والمنطقة superhydrophilic (المنطقة لتكون مغلفة) على الجانب العلوي. من ناحية أخرى، لتوجيه 90 درجة، وضبط الناقلات واحد في الأعلى وآخر في الأسفل ولتوجيه 180 درجة، وضبط منطقة superhydrophilic في الأسفل وinterlines في المركز. وبالمثل، وضبط موقف 4 و 8 أسطح interlined مع مختلف سrientation كما هو مبين في الشكل 1).
    2. تزج قطعة اختبار ملثمين في حل استعداد باستخدام جهاز تراجع طلاء، وتراجع في سرعة غمس عالية وارتفاع في سرعة بطيئة من 5 مم / دقيقة. الحفاظ على قطعة اختبار المغلفة في الفرن على 120 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
    3. إزالة الشريط العازل من منطقة ملثمين الحصول على العدد المطلوب من interlines مع التوجه السليم.

figure-protocol-1
الشكل 1. اختيار الأسطح المختلفة من خلال Interlined. (أ) تخطيطي الأسطح المختلفة من خلال interlined مع توجهات مختلفة. نسبة مساحة سطح النحاس العادي وسطح superhydrophilic هي 1: 1 في جميع الظروف. معايير الاختيار (ب) التوجه. (ج) عرض متساوي القياس من 2 الناقلات سطح الموجهة 0 درجة زاوية. تحديد اتجاه كما الزاوية بين خط الأساس وطلاءخط الوسط من أول نمط ماء من الجانب العلوي، ويتم قياسها في اتجاه عقارب الساعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. إجراء التجريبية

  1. استخدام الشريط العازل، وإصلاح أنبوب زجاجي واحد في كل قاعدة دائرية من قطعة الاختبار المغلفة.
  2. إصلاح أفقيا هذه الجمعية إلى غرفة 140- 140- س × 160 ملم (كما هو موضح في الشكل 2) باستخدام معجون السيليكون وفقا للموقف المطلوب من interlines.
  3. ضع-W 550، قطرها 18 مم، و 40 مم طويلة سخان خرطوشة مع طبقة رقيقة من معجون الحراري على المنطقة الدائرية في حفرة من قطعة الاختبار.
  4. ربط سخان خرطوشة إلى تيار مباشر (DC) وحدة امدادات الطاقة.
  5. مكان T-نوع المزدوجات الحرارية في 8 متباعدة بالتساوي ثقوب 1 ملم، مع أعماق بديلة من 5 ملم و 7 ملم كما هو مبين في الشكل3 ربطها مسجل بيانات.
  6. إدراج وإصلاح أجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة (RTD)، مكثف ارتداد، وسخان مساعدة في المساحات المتوفرة على الغطاء العلوي. اصلاحها على الحجرة المغلي.
  7. ملء 1400 مل من الماء DI في غرفة الغليان بركة.
  8. ربط المكثف الراجع إلى غرفة التبريد التي يتم الاحتفاظ في 5 ° C.
  9. قبل التجربة، وتغلي بقوة الماء DI في غرفة الغليان تجمع لمدة 30 دقيقة باستخدام سخان مساعدة.
  10. الحفاظ على المياه DI في حالة غليان المشبعة باستخدام سخان مساعدة. وفي وقت لاحق، والتبديل على إمدادات الطاقة وتعطي تيار الأولي من 0.1 A.
  11. الانتظار لمدة 2 دقيقة من أجل الوصول إلى حالة مستقرة. ثم، زيادة التيار الكهربائي مع الزيادات من 0.3 A.
  12. سجل درجة الحرارة في كل مدخلات الطاقة باستخدام مسجل بيانات. تستمر التجربة حتى يتم التوصل إلى تيار أقصى من 4 A. وفي الوقت نفسه، سجل ديناميات فقاعة و أو كل مدخلات الطاقة باستخدام كاميرا CCD وضعت أمام غرفة الغليان المجمع، الذي يركز على قطعة الاختبار.

figure-protocol-2
الشكل 2. تخطيطي للغرفة بركة الغليان. ترتبط أنابيب الزجاج لكلا الجانبين من اسطوانة النحاس جوفاء مع معجون السيليكون. تم إصلاح هذه إلى غرفة الغليان تجمع مع معجون السيليكون. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-3
الرقم 3. الحرارية لتحديد المواقع. توضع 8 المزدوجات الحرارية داخل الثقوب مم 1 محيطي في قطعة الاختبار مكان في قطر 20 مم. يتم إصلاح أعماق بديلة ثقوب قطرها 1MM في 5 ملم و 7 ملم على التوالي./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. الحد من البيانات

  1. حساب المدخلات الحرارة (Q) باستخدام المعادلة التالية 19
    Q = I V (1)
    ملاحظة: أنا وV هي المدخلات الحالية في أمبير والجهد في فولت على التوالي.
  2. تقدير فقدان الحرارة (خسارة Q) من السطوح الجانبين باستخدام صيغة 19:
    figure-protocol-4 (2)
    ملاحظة: ك هو التوصيل الحراري للنحاس. T 7 ملم وT 5 مم هي متوسط قيم درجة الحرارة في أعماق 7 ملم و 5 ملم، على التوالي؛ Δx (2 ملم) هو الفرق بين أعماق. و
    figure-protocol-5 هي مساحة المقطع العرضي للاختبار ص IECE.
  3. تحديد التدفق الحراري (ف '') باستخدام الصيغة التالية 19:
    figure-protocol-6 (3)
    ملاحظة: A = π د س ل هو المجال كفافي من قطعة الاختبار.
  4. حساب حمى الجدار (باستخدام المعادلة التالية 19:
    figure-protocol-7 (4)
    ملاحظة: T م هو متوسط T 7 ملم وT 5 ملم، وطول قطعة الاختبار، س ص (12.5 مم) دائرة نصف قطرها الخارجي للقطعة الاختبار، دائرة نصف قطرها من قطعة الاختبار ص م (10 ملم) في قياس الثقوب، وT جلس هو على درجة حرارة تشبع المياه DI كما هو مبين في الشكل (4).
  5. حساب HTC (α) باستخدام الصيغة التالية 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg "/> (5)

figure-protocol-8
الشكل 4. رسم تخطيطي للتحليل درجة الحرارة ستريت. يتم احتساب درجة حرارة الجدار باستخدام متوسط ​​درجة الحرارة المقاسة والمقاومة الحرارية أسطواني المعروفة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

وأجريت التجارب نقل الحرارة الغليان تجمع على سطح أسطواني قابل للبلل الهجين باستخدام الإعداد التجريبية التي هو مبين في الشكل (5) التخطيطي. وأوضح الإجراء التجريبي الغليان تجمع في الخطوة 2 من قسم البروتوكول ونفذت بنجاح أثناء التحقيق في تأثير عدد من interlines وتوجه نمط قابل للبلل الهجين على أداء الغليان بركة. ومثلت العروض الغليان مجموعة من الأسطح المختلفة المعالجة من حيث الرسوم البيانية: تدفق الحرارة مقابل مستوياتها الجدار وHTC مقابل ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

كان الهدف الرئيسي من هذا التحقيق هو تطوير مشتت حراري لغلي البركة لتطبيقات تبديد الحرارة العالية ، مثل المفاعلات النووية والغلايات والأنابيب الحرارية ، من خلال إدخال السطح الهجين القابل للبلل ، كما هو موضح في قسم البروتوكول. يمكن أن تنتج هذه الأسطح أداء أفضل لغليان في المسبح من الأسطح المتجانسة القابلة للبلل (المحبة للماء والكارهة للماء). يرجع التحسن في أداء نقل الحرارة المغلي إلى زيادة مواقع التنوي النشطة وسهولة انفصال الفقاعات المشكلة عن السطح. في هذه الدراسة ، نظرنا في تأثيرات عدد الخطوط المتداخلة واتجاه الأنماط الهجين...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

يقر المؤلفون بامتنان بدعم التمويل من وزارة العلوم والتكنولوجيا ، MOST (أرقام المشروع: 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 ، و MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

مسحوق السيليكا منزوعة الأيونات العادي
قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
النانوي للمياه
، 40 نانومترUniRegion Bio-Tech60676860
الإيثانولECHO Chemical Co. Ltd64175
حمض الهيدروكلوريكSHOWA Chemical Co. Ltd.7647010
TetraethoxysilaneSHOWA Chemical Co. Ltd.78104
أسيتونيوني أونوارد كورب.67641
سخان خرطوشةتشونغ شون سخان & شركة الصك المحدودة
زجاج بيركس  خدمة زجاج السيارات ، تايوان
المقوىالزجاج خدمة زجاج السيارات ، معجون حراري تايوان
التشحيم الكهربائيEG-30   ؛
شريط العزلChuan Chi Trading Co. LtdKapton Tape
Sandpaper Chuan Chi Trading Co. Ltd# 2000
فرن التدفئةChung ChuanHong Sen HS-101
الموازين الإلكترونيةA & شركة دي LtdGX400
منظف بالموجات فوق الصوتيةبرانسونيكبرانسونيك 3510
مغناطيس نمامالخط الأصفرMST D S1
مسجل البيانات يوكوجاواMX-100
CCD الكاميراJVCLY35862-001A
معجون السيليكونPermatex599BR
امدادات الطاقةGwinstekGPR-20H50D
التفلون الشريط Chuan Chi Trading Co. LtdCS170000
زاوية الاتصال مقياس الزواياSindatekنموذج 100SB
سخان إضافيChuan Chi Trading Co. Ltd
T- نوع مزدوجات حراريةChuan Chi Trading Co. Ltd
مكثف الارتجاع   ؛تشوان تشي للتجارة المحدودة
الألياف الزجاجيةالبلاستيك المهنية ، تايوان

المراجع

  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. , Spoleto. (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, Suppl 1. 303-309 (1994).
  21. Holman, J. P. Experimental Methods for Engineers. , 7th ed, Tata McGraw Hill Education Private Limited. (2007).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

SiO2 CCD
تعزيز بركة الغليان نقل الحرارة على أسطواني السطوح مع أنماط قابل للبلل الهجين
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.