Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.

Artículo de método

Mejora de la piscina de ebullición de transferencia de calor en superficies cilíndricas con los patrones de humectables Híbridos

8.5K vistas

⸱

DOI:

10.3791/55387

⸱

10 de abril de 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

experimentos de transferencia de calor de la piscina de punto de ebullición se llevaron a cabo para observar los efectos de los patrones de humectables híbridos en el coeficiente de transferencia de calor (HTC). Los parámetros de la investigación son el número de interlíneas y la orientación patrón de la superficie humectable modificado.

Resumen

En este estudio, se realizaron experimentos de transferencia de calor en ebullición de piscinas para investigar el efecto del número de interlíneas y la orientación del patrón híbrido mojable. Los patrones híbridos humectables se produjeron mediante el recubrimiento de SiO2 superhidrófilo sobre una superficie de cobre cilíndrica hidrofóbica enmascarada. Utilizando agua desionizada (DI) como fluido de trabajo, se realizaron estudios de transferencia de calor en ebullición de piscinas en los diferentes cilindros de cobre tratados superficialmente de 25 mm de diámetro y 40 mm de longitud. Los resultados experimentales mostraron que el número de interlíneas y la orientación del patrón híbrido humectable influyeron en el sobrecalentamiento de la pared y en el HTC. Al aumentar el número de interlíneas, el HTC mejoró en comparación con la superficie lisa. Las imágenes obtenidas de la cámara del dispositivo de carga acoplada (CCD) indicaron que se formaron más burbujas en las entrelíneas en comparación con otras partes. El patrón híbrido de humecabilidad con la sección más baja hidrofóbica proporcionó el mejor coeficiente de transferencia de calor (HTC). Los resultados experimentales indicaron que la dinámica de las burbujas de la superficie es un factor importante que determina la ebullición del nucleado.

Introducción

Un sistema de alta flujo de calor para mantener la prestación de enfriamiento en el rango de 10-10 5 W / cm2 se requiere en los campos emergentes de la electrónica, defensa, aviónica, y el desarrollo de dispositivos nucleares. de refrigeración convencionales con el aire no es suficiente para estas aplicaciones debido al coeficiente de transferencia de calor bajo (HTC) para ambas condiciones de libre y convección forzada. Las técnicas de enfriamiento a base de cambio de fase, tales como piscina de ebullición y el flujo de ebullición, son lo suficientemente buenos para eliminar flujos de alta temperatura del orden de 10 - 1.000 W / cm 2 1. Dado que el proceso de transferencia de calor de dos fases es isotérmica, la temperatura del dispositivo enfriado es casi constante sobre su superficie. Debido a la variación insignificante de la temperatura a lo largo de la superficie, el choque térmico del dispositivo puede ser eliminada. Sin embargo, el parámetro de limitación importante en ebullición de transferencia de calor es el flujo de calor crítico (CHF), que causa un aumento anormal de temperatura 2 .

En las últimas décadas, la investigación extensa se ha llevado a cabo para mejorar la CHF mediante el uso de modificación de la superficie, nanofluidos, y la superficie de los revestimientos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Entre los diversos métodos, revestimientos de superficies se encuentran para ser el mejor método para mejorar la CHF debido al aumento sustancial en el área de la superficie. Recubrimientos de superficie generalmente aumentan la transferencia de calor por la acción de la aleta, efectos de porosidad, y humectabilidad de la superficie 12. humectabilidad de la superficie juega un papel significativo en la temperatura de ebullición de transferencia. Estudios previos muestran que en condiciones de flujo de calor más bajos, la superficie hidrófoba muestra mejor HTC debido a la nucleación temprano. Sin embargo, enmayor flujo de calor, el desprendimiento de las burbujas formadas es lento debido a la baja afinidad de agua hacia la superficie. Esto conduce a la coalescencia de las burbujas y se traduce en una menor CHF 3. Por otro lado, una superficie hidrófila produce una CHF más alto, debido a la separación rápida de las burbujas formadas, pero da una HTC inferior a flujos de calor bajos, debido a la demora en la nucleación de burbujas 13.

Las estructuras híbridas muestran una notable mejora en la temperatura de ebullición de transferencia para todos los flujos de calor debido al efecto combinado de la hidrofobicidad y la hidrofilicidad 14, 15, 16. Hsu et al. producido superficie humectable heterogénea mediante el recubrimiento de superhidrófilo Si las nanopartículas sobre una superficie de cobre enmascarado. Alcanzaron diferentes relaciones de humectabilidad mediante la variación del tiempo de recubrimiento. El inicio de la ebullición se produjo antes en las superficies heterogéneas en comparación con el hsuperficie omogeneous, lo que redujo sustancialmente la pared de sobrecalentamiento 17. Jo et al. realizado ebullición nucleada estudios de transferencia de calor en las superficies humectantes hidrófilos, hidrófobos, y heterogéneos. La superficie de humectación heterogénea se compone de puntos estampadas hidrófobos sobre la superficie hidrófila. Consiguieron CTH más altos y el mismo CHF para la superficie heterogénea en comparación con la superficie hidrófila. Una mejora en la temperatura de ebullición de transferencia depende directamente del número de puntos en la superficie y en las condiciones de punto de ebullición 18.

En este estudio, los patrones humectables híbridos axiales fueron producidos sobre una superficie de cobre cilíndrico utilizando la técnica de recubrimiento por inmersión. se llevaron a cabo Pool-hirviendo estudios de transferencia de calor para determinar los efectos de la cantidad de interlíneas y de la orientación del patrón humectable híbrido. Ebullición de flujo de calor, HTC, y dinámica de burbujas se analizaron para los sustratos recubiertos y todo nosre en comparación con el sustrato de cobre.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

1. Preparación de las superficies modificadas

  1. Pulir manualmente la pieza de ensayo (cilindro de cobre hueco con una longitud de 40 mm (L), un diámetro exterior de 25 mm (d o), y un diámetro interior de 18 mm (d i)) durante 15 min usando un esmeril # 2000 papel. Limpiar la superficie pulida de un aclarado con acetona seguido de agua DI.
  2. Colocar la probeta pulida en un horno durante 2 horas a una temperatura constante de 120 ° C.
  3. Preparar una solución de nanopartículas de SiO 2 superhidrófilo mediante los pasos siguientes.
    1. Preparar la solución A mediante la mezcla de 1: 4 relaciones molares de tetraetoxisilano y agua DI. Añadir 2 gotas de 37% de HCl concentrado a la solución A y agitar durante 2 h.
    2. Hacer la solución B mezclando una proporción de 1: 3 molar de etanol y agua DI.
    3. Mezclar 1 ml de la solución A a 80 ml de solución B y se agita durante 2 h.
    4. Añadir 32 g de SiO 2 nanopartículas (diámetro de 40 nm) a la solu preparadosción y se agita durante 1 h.
  4. Sumergir la pieza de ensayo en la solución preparada usando el aparato de recubrimiento por inmersión a una velocidad de 5 mm / min. Mantenga la pieza de ensayo recubierto en una estufa a 120 ° C durante 1 h.
  5. Preparar 2, 4, y 8 patrones híbridos interlineado con diferentes orientaciones a lo largo de la dirección axial (como se muestra en la Figura 1) utilizando los siguientes pasos.
    1. Enmascarar la zona a estar sin recubrir utilizando la cinta de aislamiento de acuerdo con el número requerido de interlíneas con la orientación adecuada (Para la superficie 2-interlínea en una orientación 0 °, ajuste interlíneas en el centro y la zona de superhidrófilo (área a recubrir) en el lado superior. por otro lado, para la orientación 90 °, ajustar uno interlínea en la parte superior y otro en la parte inferior y para la orientación de 180 °, ajuste área superhidrófilo en la parte inferior y las interlíneas en el centro. de manera similar, ajustar el posición de las 4, 8 superficies interlineado con la diferente orientation como se muestra en la Figura 1).
    2. Sumergir la pieza de ensayo enmascarado en la solución preparada mediante el uso de un aparato de recubrimiento por inmersión, inmersión a una alta velocidad de inmersión y ascenso a una velocidad lenta de 5 mm / min. Mantenga la pieza de ensayo recubierto en una estufa a 120 ° C durante 1 h.
    3. Retire la cinta de aislamiento de la zona enmascarada para obtener el número requerido de interlíneas con la orientación apropiada.

figure-protocol-1
Figura 1. Selección de superficies diferentes interlineado. (a) Esquema de superficies diferentes interlineado con diferentes orientaciones. La relación de área de una superficie de cobre plano y una superficie de superhidrófilo es de 1: 1 en todas las condiciones. criterios de selección (b) la orientación. (c) vista isométrica de la 2 interlínea superficie orientada 0 ° de ángulo. Orientación se selecciona como el ángulo entre la línea de base y revestimientolínea central del primer patrón hidrofílico desde el lado superior y se mide en una dirección hacia la derecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Procedimiento Experimental

  1. Uso de la cinta de aislamiento, fijar un tubo de vidrio en cada base circular de la pieza de ensayo revestida.
  2. Horizontalmente solucionar este conjunto a la cámara de 140- x 140- x 160 mm (como se muestra en la Figura 2) usando pasta de silicona según la posición requerida de interlíneas.
  3. Colocar un 550-W, diámetro de 18 mm, y el calentador de cartucho de 40 mm de longitud con una película fina de pasta térmica en el área circunferencial en el agujero de la pieza de ensayo.
  4. Conectar el calentador de cartucho a una unidad de alimentación de corriente continua (DC).
  5. Place de tipo T termopares en los 8 orificios de 1 mm igualmente espaciados, con profundidades alternas de 5 mm y 7 mm, como se muestra en la figura3 Conéctelas al registrador de datos.
  6. Insertar y fijar detectores de temperatura de resistencia (RTD), un condensador de reflujo, y un calentador auxiliar en los espacios provistos en la cubierta superior. Fijarlos sobre la cámara de ebullición.
  7. Llenar 1.400 ml de agua DI en la cámara de piscina punto de ebullición.
  8. Conectar el condensador de reflujo a una cámara de enfriamiento que se mantiene a 5 ° C.
  9. Antes del experimento, hervir vigorosamente el agua DI en la cámara de piscina-hirviendo durante 30 min utilizando el calentador auxiliar.
  10. Mantenga el agua DI a la condición de ebullición saturado utilizando el calentador auxiliar. Posteriormente, encender la fuente de alimentación y dar una corriente inicial de 0,1 A.
  11. Espere durante 2 minutos con el fin de alcanzar un estado de equilibrio. Entonces, aumentar la corriente eléctrica con incrementos de 0,3 A.
  12. Registre la temperatura en cada entrada de potencia utilizando el registrador de datos. Continuar el experimento hasta que se alcanza una corriente máxima de 4 A. Mientras tanto, registrar la dinámica de burbujas f o cada entrada de energía mediante el uso de una cámara CCD colocado en frente de la cámara de piscina punto de ebullición, que se centra en la pieza de ensayo.

figure-protocol-2
Figura 2. Esquema de la Cámara Pool-hirviendo. tubos de vidrio están conectados a ambos lados del cilindro de cobre hueco con pasta de silicona. Este se fija a la cámara de piscina de punto de ebullición con pasta de silicona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-protocol-3
Figura 3. Termopar de posicionamiento. 8 termopares se colocan dentro de los agujeros de 1 mm de diámetro circunferencialmente en el lugar pieza de ensayo en un diámetro de 20 mm. Las profundidades de orificios de 1 mm de diámetro alternos se fijan a 5 mm y 7 mm, respectivamente./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Reducción de Datos

  1. Calcular la entrada de calor (Q) mediante el uso de la siguiente ecuación 19
    Q = I V (1)
    NOTA: I y V son la corriente de entrada en amperios y la tensión en voltios, respectivamente.
  2. Estimar la pérdida de calor (pérdida Q) de las dos superficies laterales mediante el uso de la fórmula 19:
    figure-protocol-4 (2)
    NOTA: k es la conductividad térmica del cobre; T 7 mm y T 5 mm son los valores medios de la temperatura a una profundidad de 7 mm y 5 mm, respectivamente; ? X (2 mm) es la diferencia entre las profundidades; y
    figure-protocol-5 es el área de sección transversal de la prueba p IECE.
  3. Determinar el flujo de calor (q '') mediante el uso de la siguiente fórmula 19:
    figure-protocol-6 (3)
    NOTA: A = π d o l es el área circunferencial de la pieza de ensayo.
  4. Calcular el sobrecalentamiento de la pared (usando la siguiente ecuación 19:
    figure-protocol-7 (4)
    NOTA: T m es la media de T 7 mm y T 5 mm, es la longitud de la pieza de ensayo, r O (12,5 mm) radio exterior de la pieza de ensayo, r m (10 mm) radio de la probeta a la la medición de agujeros, y T sAT es la temperatura de saturación del agua DI como se muestra en la Figura 4.
  5. Calcular la HTC (α) utilizando la siguiente fórmula 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8
Figura 4. Esquema de Análisis temperatura de la pared. temperatura de la pared se calcula utilizando la temperatura media medida y conocido resistencia térmica cilíndrica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

Experimentos de transferencia de calor de la piscina de punto de ebullición se llevaron a cabo sobre una superficie cilíndrica humectable híbrido utilizando la configuración experimental cuya esquemática se muestra en la Figura 5. El procedimiento experimental de la piscina de ebullición explicó en el paso 2 de la sección de protocolo se llevó a cabo con éxito mientras se investiga el efecto de la cantidad de interlíneas y de la orientación del patrón humectable híbrido ...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

El objetivo principal de esta investigación fue desarrollar un disipador de calor de ebullición de piscina para aplicaciones de alta disipación de calor, como reactores nucleares, calderas y tubos de calor, mediante la introducción de la superficie humectable híbrida, como se describe en la sección del protocolo. Estas superficies pueden producir mejores rendimientos de ebullición de piscinas que las superficies humectables homogéneas (hidrófilas e hidrofóbicas). La mejora en el rendimiento de transferencia de calor en e...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo financiero del Ministerio de Ciencia y Tecnología, MOST (números de proyecto: 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, y MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
desionizada
Nanopolvo de sílice, 40 nmUniRegion Bio-Tech60676860
EtanolECHO Chemical co. Ltd64175
Ácido clorhídricoSHOWA Chemical co. Ltd.
TetraetoxisilanoSHOWA Chemical co., Ltd.78104
AcetonaUNI-ONWARD CORP.67641
Calentador de cartuchoChung Shun Heater & Instrumento Co, Ltd.
Vidrio Pyrex  Servicio de vidrio automotriz, Taiwán
Vidrio templado ordinarioServicio de vidrio automotriz, Taiwán
Pasta térmicaElectrolubeEG-30  
Cinta aislanteChuan Chi Trading Co. LtdCinta Kapton Papel
lijaChuan Chi Trading Co. Ltd#2000
Horno de calefacciónChung ChuanHong Sen HS-101
Básculas electrónicasA & D co. LtdGX400
Limpiador ultrasónicoBransonic Bransonic3510
Agitador magnéticoLínea amarillaMST D S1
Registrador de datos YokogawaMX-100
JVCLY35862-001A Pasta de silicona
Permatex599BR
Fuente de alimentaciónGwinstekGPR-20H50D Cinta
teflón Chuan Chi Trading Co. LtdCS170000
Goniómetro de ángulo de contactoSindatekmodelo 100SB
Calentador auxiliarChuan Chi Trading Co. Ltd
TermoparesT Chuan Chi Trading Co. Ltd
Condensador de reflujo Chuan Chi Trading Co. Ltd
Plásticos profesionales de fibra de vidrio, Taiwán
Agua 7647010 de Cámara CCD de tipo

Referencias

  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).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Etiquetas

Patr n h medo h bridorecubrimiento de SiO2 superhidrof licosuperficie de cobre cil ndricaan lisis de la din mica de burbujascoeficiente de transferencia de calorim genes con c mara CCDefecto de la orientaci n de la l nea intermediapreparaci n de la soluci n de nanopart culasregistro con registrador de datos
Mejora de la piscina de ebullición de transferencia de calor en superficies cilíndricas con los patrones de humectables Híbridos
Contáctenos
Recomendar a la biblioteca

Privacidad

Condiciones de uso

Políticas

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados.