Summary
esperimenti di trasferimento di calore Pool-bollente sono state effettuate per osservare gli effetti dei modelli ibridi bagnabili sul coefficiente di scambio termico (HTC). I parametri di ricerca sono il numero di interlining e l'orientamento modello della superficie bagnabile modificata.
Introduction
Un sistema di calore elevato flusso di sostentamento che fornisce raffreddamento nell'intervallo 10-10 5 W / cm 2 è richiesta nei settori emergenti dell'elettronica, difesa, avionica e sviluppo dispositivo nucleare. raffreddamento convenzionale con aria è sufficiente per queste applicazioni a causa del coefficiente di scambio termico basso (HTC) per entrambe le condizioni di libero e convezione forzata. Le tecniche di raffreddamento cambiamento basate fase, come piscina ebollizione e il flusso bollente, sono abbastanza buono per rimuovere elevati flussi di calore dell'ordine di 10 - 1,000 W / cm 2 1. Poiché il processo di trasferimento di calore a due fasi è isotermico, la temperatura del dispositivo raffreddato è quasi costante sulla sua superficie. A causa della variazione trascurabile della temperatura lungo la superficie, lo shock termico del dispositivo può essere eliminato. Tuttavia, il principale parametro limitante in ebollizione trasferimento di calore è il flusso di calore critico (CHF), che causa un aumento anomalo della temperatura 2
Negli ultimi decenni, vasta ricerca è stata effettuata per migliorare la CHF mediante modificazione superficiale, nanofluidi, e rivestimenti di superficie 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Tra i vari metodi, rivestimenti di superficie si trovano ad essere il metodo migliore per migliorare il CHF causa del notevole aumento della superficie. Rivestimenti superficiali generalmente aumenta il trasferimento di calore con l'azione della pinna, effetti porosità e superficie bagnabilità 12. bagnabilità della superficie gioca un ruolo significativo nella bollente scambio termico. Precedenti studi mostrano che in condizioni di flusso termico inferiore, la superficie idrofoba mostra meglio HTC dovuta ai primi nucleazione. Tuttavia, aflusso di calore superiore, il distacco delle bolle formate è lento a causa della bassa affinità di acqua verso la superficie. Questo porta a bolla coalescenza e si traduce in una minore CHF 3. D'altro canto, una superficie idrofila produce una maggiore CHF, a causa del distacco rapido delle bolle formate, ma dà un HTC inferiore a flussi di calore bassa, a causa del ritardo nella bolla nucleazione 13.
Le strutture ibride mostrano migliora notevolmente bollente scambio termico per tutti i flussi di calore per l'effetto combinato di idrofobicità e idrofilia 14, 15, 16. Hsu et al. prodotta superficie bagnabile eterogenea rivestendo superidrofilia Si nanoparticelle su una superficie di rame mascherato. Hanno raggiunto differenti rapporti bagnabilità variando il tempo di rivestimento. L'insorgenza di ebollizione si è verificato in precedenza sulle superfici eterogenee rispetto alla hsuperficie omogenea, che ha ridotto sostanzialmente la parete Surriscaldamento 17. Jo et al. condotto studi termodistributori nucleata bollente su superfici bagnanti idrofile, idrofobe, ed eterogenei. La superficie bagnatura eterogenea è stata composta da punti modellati idrofobe sulla superficie idrofila. Hanno ottenuto HTCs superiore e la stessa CHF per la superficie eterogenea rispetto alla superficie idrofila. Un miglioramento bollente termovettore dipende direttamente dal numero di punti sulla superficie e dalle condizioni di ebollizione 18.
In questo studio, assiali modelli bagnabili ibridi sono stati prodotti su una superficie di rame cilindrica con la tecnica dip coating. Pool-bollente studi scambio termico sono stati condotti per determinare gli effetti del numero di interlining e dell'orientamento del modello bagnabile ibrido. Ebollizione flusso di calore, HTC e dinamiche bolla sono stati analizzati per i substrati tutti rivestiti e tiri rispetto al substrato di rame.
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Protocol
1. Preparazione delle superfici modificate
- Lucidare manualmente il pezzo di prova (cilindro cavo in rame con una lunghezza di 40 mm (l), un diametro esterno di 25 mm (d o), ed un diametro interno di 18 mm (d i)) per 15 minuti usando uno smeriglio N. 2.000 carta. Pulire la superficie lucidata da risciacquo con acetone mediante acqua deionizzata.
- Si dispone la provetta lucidata in un forno per 2 ore a una temperatura costante di 120 ° C.
- Preparare una soluzione di nanoparticelle superidrofilia SiO 2 procede come segue.
- Preparare la soluzione A miscelando 1: 4 rapporti molari di silano tetraethoxy e acqua deionizzata. Aggiungere 2 gocce di 37% HCl concentrato alla soluzione A e mescolare per 2 ore.
- Preparare la soluzione B miscelando un rapporto 1: 3 moli di etanolo e acqua deionizzata.
- Mescolare 1 mL di soluzione A e 80 mL di soluzione B e agitare per 2 ore.
- Aggiungere 32 g di SiO 2 nanoparticelle (diametro 40 nm) per la solu preparatozione e mescolare per 1 ora.
- Immergere la provetta nella soluzione preparata utilizzando l'apparecchiatura dip-coating ad una velocità di 5 mm / min. Tenere il pezzo di prova rivestito in un forno a 120 ° C per 1 ora.
- Preparare 2, 4, e 8 modelli ibridi interlined con diversi orientamenti lungo la direzione assiale (come mostrato in figura 1) utilizzando la seguente procedura.
- Mascherare l'area da non rivestito utilizzando il nastro isolante secondo il numero richiesto di interlining con il giusto orientamento (per la superficie 2-interlinea in un orientamento 0 °, regolare interlining al centro e la zona superidrofilia (superficie da rivestire) sulla il lato superiore. D'altra parte, per l'orientamento 90 °, regolare un'interlinea nella parte superiore e un altro in basso e per l'orientamento 180 °, regolare zona superidrofilia in basso e le interlining al centro. Analogamente, regolare la posizione dei 4, 8 superfici interlined con il differente orientation come mostrato in Figura 1).
- Immergere la provetta mascherato nella soluzione preparata utilizzando un apparecchio di rivestimento a immersione, immersione ad una velocità di immersione elevato e luogo ad una lenta velocità di 5 mm / min. Tenere il pezzo di prova rivestito in un forno a 120 ° C per 1 ora.
- Rimuovere il nastro isolante dalla maschera per ottenere il numero necessario di interlining con il corretto orientamento.
Figura 1. selezione di vari interlined superfici. (a) Schema di varie superfici interlined con diversi orientamenti. Il rapporto di una superficie di rame piana ed una superficie superidrofilia area è 1: 1 in tutte le condizioni. criteri di selezione (b) di orientamento. (c) vista isometrica del 2 interlinea 0 ° angolo di superficie orientata. Orientamento viene selezionato come l'angolo tra la linea di base e di rivestimentomezzeria del primo modello idrofilo dal lato superiore e si misura in senso orario. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
2. Procedura sperimentale
- Utilizzando il nastro isolante, fissare un tubo di vetro in ogni base circolare della provetta rivestita.
- Orizzontalmente risolvere questo assieme alla camera 140- x 140- x 160 mm (come mostrato in figura 2) con pasta di silicone secondo la posizione richiesta di interlining.
- Posizionare un 550-W, diametro 18 mm, e 40 mm lungo riscaldatore a cartuccia con una pellicola sottile di pasta termica sulla superficie circonferenziale nel foro della provetta.
- Collegare il riscaldatore a cartuccia ad un'unità di alimentazione a corrente continua (DC).
- Posto T-termocoppie nelle 8 fori 1 mm equidistanziate, con profondità alternati su 5 e 7 mm, come mostrato in figura3 Collegarli al data logger.
- Inserire e fissare termoresistenze (RTD), un condensatore a riflusso, e un riscaldatore ausiliario negli spazi previsti sul coperchio superiore. fissarli sopra la camera di ebollizione.
- Riempire 1.400 ml di acqua DI nella camera piscina bollente.
- Collegare il condensatore a riflusso per una camera di raffreddamento che viene mantenuta a 5 ° C.
- Prima dell'esperimento, l'ebollizione l'acqua DI nella camera piscina-bollente per 30 minuti usando il riscaldatore ausiliario.
- Mantenere l'acqua DI nella condizione di ebollizione satura utilizzando il riscaldatore ausiliario. Successivamente, accendere l'alimentazione e fornire una corrente iniziale di 0,1 A.
- Attendere per 2 minuti al fine di raggiungere uno stato stazionario. Quindi, aumentare la corrente elettrica con incrementi di 0,3 A.
- Registrare la temperatura a ciascun ingresso di potenza utilizzando il datalogger. Continuare l'esperimento fino al raggiungimento di una corrente massima di 4 A. Nel frattempo, registrare la dinamica bolla f o ciascun ingresso di alimentazione utilizzando una telecamera CCD posta di fronte alla piscina bollente camera, che si concentra sul provino.
Figura 2. Schema della Camera Pool-bollente. tubi di vetro sono collegati ad entrambi i lati del cilindro cavo in rame con pasta di silicone. Questo è fissato alla camera piscina ebollizione con pasta di silicone. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Posizionamento termocoppia. 8 termocoppie sono collocati all'interno dei fori 1 mm di diametro circonferenzialmente collocati provetta ad un diametro di 20 mm. Le profondità di fori del diametro di 1 mm alternativi sono fissati a 5 mm e 7 mm./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
3. Riduzione dei dati
- Calcolare l'apporto di calore (Q) utilizzando la seguente equazione 19
Q = I V (1)
NOTA: I e V sono la corrente di ingresso in ampere e la tensione in volt, rispettivamente. - Valutare la perdita di calore (perdita Q) dalle due superfici laterali utilizzando la formula 19:
(2)
NOTA: k è la conducibilità termica del rame; T 7 mm e T 5 mm non sono i valori medi della temperatura a profondità di 7 mm e 5 mm, rispettivamente; Ax (2 mm) è la differenza tra le profondità; e
è l'area della sezione trasversale del test p IECE. - Determinare il flusso di calore (q '') utilizzando la seguente formula 19:
(3)
NOTA: A = π d o l è la zona circonferenziale della provetta. - Calcolare il surriscaldamento parete (usando la seguente equazione 19:
(4)
NOTA: T m è la media di T 7 mm e T 5 mm, è la lunghezza della provetta, r o (12.5 mm) raggio esterno della provetta, r m (10 mm) raggio della provetta alla misurazione fori, e T sAT è la temperatura di saturazione di acqua dI, come illustrato nella figura 4. - Calcolare l'HTC (α) utilizzando la seguente formula 19:
PLOAD / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)
(2) 
è l'area della sezione trasversale del test p IECE. 
(3) 
(4) 
Figura 4. Schema di Wall Analisi temperatura. temperatura di parete è calcolato utilizzando la media temperatura misurata e conosciuto cilindrica resistenza termica. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Representative Results
Esperimenti termodistributori piscina-bollente sono state condotte su una superficie cilindrica bagnabile ibrido usando l'apparato sperimentale il cui schema è mostrato in figura 5. La procedura sperimentale piscina-bollente spiegato nel passaggio 2 della sezione protocollo è stato effettuato con successo mentre indaga l'effetto del numero di interlining e dell'orientamento del modello bagnabile ibrida sul rendimento piscina-bollente. Le prestazioni piscina bollente delle diverse superfici trattate sono state rappresentate in termini di grafici: il flusso di calore contro il surriscaldamento parete e l'HTC rispetto al flusso di calore.
Per validare la configurazione sperimentale, piscina bollente risultati sperimentali di trasferimento di calore della superficie piana di rame sono stati confrontati con la correlazione teorico previsto da Cornwell e Houston nel 1994 20, come mostrato nelle seguenti equatisopra:
(6)
dove N u è il numero di Nusselt; A = 9.7p c 0,5, con p c = 221,2 bar; 1.8p (p) F = r + 0,17 4p r + 1,2 10p r 10, con p r = p / p c e p = 1,013 bar; Re b è l'ebollizione numero di Reynolds calcolato utilizzando l'equazione 7, e Pr è il numero di Prandtl.
(7)
dove q '' è il flusso di calore, D è il diametro esterno della provetta, u f è la dynammico viscosità e h fg è il calore latente di vaporizzazione a temperatura di saturazione.
Il numero di Nusselt sperimentale viene calcolata utilizzando la seguente equazione:
(8)
dove α è l'HTC e k f è la conducibilità termica del fluido di lavoro.
La figura 6 mostra il grafico di convalida. Il numero di Nusselt sperimentale è quasi lo stesso del numero teorico correlazione Nusselt per un determinato numero di Reynolds.
Incertezza sperimentale nel flusso di calore calcolato, il super calore parete e HTC sono stati calcolati usando Kline e McClintn metodo 21. uncertezza nel flusso di calore, la parete eccellente calore e HTC sono stati stimati nel campo ± 15,3%, ± 1,7%, ± 15,5% rispettivamente.
Figura 5. Schema del setup sperimentale. L'apparato sperimentale utilizzato per studiare le prestazioni della piscina-bollente. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Convalida della configurazione sperimentale. Un confronto tra i risultati attuali e la correlazione riportata da Cornwell e Houston 16 in una scala logaritmica. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. >
Figura 7 (a) mostra le curve di piscina bollente della superficie piana di rame, una superficie completamente superidrofilia, e superfici ibridi con diversi numeri di interlining in un orientamento 0 o. La curva piscina-bollente è stata ottenuta tracciando il grafico del flusso di calore contro il surriscaldamento parete. Il surriscaldamento flusso di calore e la parete sono stati calcolati utilizzando le equazioni 3 e 4, rispettivamente. Uno spostamento verso sinistra della curva piscina-bollente è stato ottenuto per la superficie 8-interlinea, mentre le superfici 2 e 4 interlinea mostrato valori quasi simili. Figura 7 (b) mostra il grafico del HTC rispetto al flusso di calore di superfici diverse. L'HTC è calcolato utilizzando l'equazione 5. Le HTCs di superfici differenti sono stati confrontati, e la superficie 8-interlinea mostrato il valore più alto, mentre la superficie superidrofilia omogenea mostrato il valore più basso.
ve_content" fo: together.within-page keep-= '1'> siti Bubble nucleazione delle diverse superfici sono stati registrati con una telecamera CCD Figura 8 indica che il numero di bolle sulla superficie completamente superidrofilia è il più basso, e con una. aumento del numero di interlining, le bolle sono stati trovati anche ad aumentare.Le prestazioni piscina ebollizione 2-, 4-, e le superfici 8 interlined e con diversi orientamenti sono mostrati nelle figure 9 e 10. Rispetto alla curva piscina bollente dell'orientamento 0 °, l'orientamento 180 ° mostrato uno spostamento verso destra. Nel caso di superfici 2-interlined con differenti gradi di orientamento angolare, l'orientamento 0 ° mostrato una migliore performance bollente. 4 e superfici 8-interlined dato il loro massimo enhancement a orientamenti del 90 ° e 45 °, rispettivamente. In questi casi, le posizioni della superficie superidrofilias erano appena sopra le interlining più basse. La Figura 11 mostra le migliori prestazioni piscina ebollizione dei diversi interlining. Con un aumento del numero di interline, i HTCs si trovano a migliorare.
Figura 7. prestazioni Pool-bolle a un orientamento 0 °. (a) ebollizione curve per le varie superfici. (b) Grafico della HTC rispetto al flusso di calore. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. fotografici di bolla nucleazione. (a) Superficie normale. superficie (b) superidrofilia. (c) 2-interlined superficie.(d) 4-interlined superficie. (e) 8-interlined superficie. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 9. Effetto dell'orientamento sulla curva piscina-bollente. Curve piscina bollenti di (a) una superficie 2-interlined, (b) una superficie 4 interlined, e (c) una superficie di 8 interlined con diversi orientamenti. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 10. Effetto di orientamento sul HTC rispetto al luial flusso. Il HTC contro il grafico di flusso di calore (a) una superficie 2-interlined, (b) una superficie 4 interlined, e (c) una superficie di 8 interlined con orientamenti diversi. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 11. Confronto tra le migliori prestazioni piscina-bollenti. (a) ebollizione curve per le varie superfici. (b) Grafico della HTC bollente contro il flusso di calore. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Materials
| 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 |
References
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