Summary
Pool-kokning värmeöverförings experiment utfördes för att observera effekterna av hybrid vätbara mönster på värmeöverföringskoefficienten (HTC). Parametrarna för undersökningen är antalet interlining och mönstret orienteringen av den modifierade vätbar yta.
Introduction
En hög värmeflödesuppehållande system som tillhandahåller kylning i intervallet på 10-10 5 W / cm 2 krävs i tillväxt områdena elektronik, försvar, avionik och utveckling kärnladdning. Konventionell kylning med luft är otillräcklig för dessa tillämpningar på grund av den låga värmeöverföringskoefficienten (HTC) för båda free-och fläktförsedd betingelser. Fasändringen baserade kylningstekniker, såsom pool kokning och flödes kokning, är tillräckligt bra för att avlägsna höga värmeflöden i storleksordningen 10 - 1000 W / cm 2 en. Eftersom det tvåfasiga värmeöverföringsprocessen är isotermisk, är den kylda anordningen temperaturen nästan konstant över dess yta. På grund av den försumbara variationen av temperaturen längs ytan, kan den termiska chocken hos anordningen elimineras. Emellertid, är den huvudsakliga begränsande parametern i kokande värmeöverförings den kritiska värmeflödes (CHF), vilket orsakar en onormal temperaturstegring 2
Under de senaste årtiondena har omfattande forskning genomförts för att förbättra CHF genom att använda ytmodifiering, nanofluider, och ytan beläggningar 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Bland de olika metoderna, är ytbeläggningar visade sig vara den bästa metoden för att förbättra CHF på grund av den betydande ökningen av ytarean. Ytbeläggningar ökar i allmänhet värmeöverföringen genom fenan handling, porositet effekter, och ytans vätbarhet 12. Ytvätbarhet spelar en viktig roll i kokande värmeöverföringen. Tidigare studier visar att vid lägre värmeflödesförhållanden, visar den hydrofoba ytan bättre HTC på grund av den tidiga kärnbildning. Men vidhögre värmeflöde, är långsam avskiljandet av de bildade bubblorna på grund av den låga affiniteten av vatten mot ytan. Detta leder till bubbel koalescens och resulterar i en lägre CHF 3. Å andra sidan, ger en hydrofil yta en högre CHF, på grund av den snabba avskiljandet av de bildade bubblorna, men det ger en lägre HTC vid låga värmeflöden, på grund av fördröjningen i bubbelkärnbildning 13.
De hybridstrukturer visar en anmärkningsvärd förbättring i kokande värmeöverförings för alla värmeflöden på grund av den kombinerade effekten av hydrofobicitet och hydrofilicitet 14, 15, 16. Hsu et al. producerade heterogena vätbar yta genom beläggning superhydrofil Si nanopartiklar på en maskerad kopparyta. De uppnått olika vätbarhetsegenskaper förhållanden genom att variera beläggningstiden. Uppkomsten av kokning inträffade tidigare på de heterogena ytor jämfört med homogeneous yta, vilket väsentligt reducerad väggen överhettning 17. Jo et al. genomfört kärnbildande kokningsvärmeöverföringsstudier på hydrofila, hydrofoba, och heterogena vätande ytor. Den heterogena vätande yta var sammansatt av hydrofoba mönstrade prickar på den hydrofila ytan. De fick högre HTCs och samma CHF för den heterogena ytan jämfört med den hydrofila ytan. En förbättring i kokande värmeöverförings beror direkt på antalet punkter på ytan och på de överkokande förhållanden 18.
I denna studie, var axiella hybrid vätbara mönster produceras på en cylindrisk kopparytan med användning av doppbeläggningsteknik. Pool-kokning värmeöverförings studier utfördes för att bestämma effekterna av antalet interlining och av orienteringen av hybrid vätbara mönstret. Kokpunktsvärmeflödes, HTC, och bubbeldynamik analyserades för alla belagda substrat och vire jämfört med kopparsubstrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av de modifierade ytor
- Polera manuellt provstycket (ihålig kopparcylinder med en 40-mm längd (l), en 25-mm ytterdiameter (d o), och en 18-mm innerdiameter (d i)) för 15 min med användning av en # 2000 smärgel papper. Rengöra den polerade ytan genom att skölja den med aceton, följt av avjoniserat vatten.
- Placera den polerade provstycket i en ugn under 2 h vid en konstant temperatur av 120 ° C.
- Förbereda en superhydrofil SiO 2 nanopartikellösningen med användning av följande steg.
- Bereda lösning A genom blandning av 1: 4 molförhållanden av tetraetoxisilan och DI-vatten. Tillsätt 2 droppar av 37% koncentrerad HCl till lösning A och rör om under 2 timmar.
- Göra lösning B genom att blanda en 1: 3-molförhållande av etanol och DI-vatten.
- Blanda en ml av lösning A till 80 ml av lösning B och rör om under 2 timmar.
- Lägga 32 g SiO 2 nanopartiklar (40-nm diameter) till den förberedda soluning och rör om under 1 h.
- Nedsänka provbiten i den framställda lösningen med hjälp av doppbeläggningsapparaten med en hastighet av 5 mm / min. Hålla den belagda provstycket i en ugn vid 120 ° C under 1 h.
- Förbereda 2, 4, och 8 interlined hybridmönster med olika orienteringar längs den axiella riktningen (såsom visas i figur 1) med användning av följande steg.
- Maskera det område som ska inte belagda med användning av isoleringstejp i enlighet med den erforderliga antalet interlining med korrekt orientering (Beträffande 2-interline yta vid en 0 ° orientering, justera interlining vid centrum och superhydrofil arean (arean som skall beläggas) på ovansidan. Å andra sidan, för 90 ° orientering, justera ett interline upptill och en annan vid botten och för 180 ° orientering, justera superhydrofil område vid botten och de interlining vid centrum. på liknande sätt, justera läget för de 4, 8 interlined ytor med olika orientation såsom visas i figur 1).
- Doppa den maskerade provstycket i den framställda lösningen med hjälp av en doppbeläggningsanordning, dopp vid en hög dopphastighet och stiga med en långsam hastighet av 5 mm / min. Hålla den belagda provstycket i en ugn vid 120 ° C under 1 h.
- Ta bort isoleringstejpen från den maskerade området för att få önskat antal interlining med rätt orientering.
Figur 1. Urval av Olika Interlined Aces. (a) Schematisk bild av olika interlined ytor med olika orienteringar. Förhållandet mellan en slät kopparyta och en superhydrofil ytarea är 1: 1 i alla förhållanden. (b) Orientering urvalskriterier. (c) Isometrisk vy av två interline 0 ° vinkel orienterad yta. Orientering är vald som vinkeln mellan baslinjen och beläggningencentrumlinje hos den första hydrofila mönstret från ovansidan och det mäts i en medurs riktning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2. Försöksförfarande
- Med hjälp av isoleringstejp, fixa ett glasrör vid varje cirkulär bas av den belagda provbiten.
- Horisontellt fixera detta aggregat till 140- x 140- x 160-mm kammare (såsom visas i fig 2) med användning av silikonpasta enligt den erforderliga positionen för interlining.
- Placera en 550-W, 18-mm diameter och 40 mm långt värmepatron med en tunn film av termisk pasta på omkretsområdet i hålet av provbiten.
- Ansluta värmepatronen till en likström (DC) nätdel.
- Plats T-typ termoelement i de 8 jämnt fördelade 1-mm hål, med alternerande djup 5 mm och 7 mm, såsom visas i figur3 Anslut dem till dataloggaren.
- Infoga och fixera motstånd temperaturdetektorer (RTD), en återloppskylare och en tillsatsvärmare i utrymmena som är anordnade på den övre luckan. Fäst dem över kokande kammaren.
- Fylla 1.400 ml DI-vatten i poolen kokande kammaren.
- Anslut återloppskylare till en kylkammare som hålles vid 5 ° C.
- Före experimentet, med kraft koka DI-vatten i poolen kokande kammare för 30 min med användning av tillsatsvärmaren.
- Hålla DI-vatten vid det mättade kokning med hjälp av tillsatsvärmaren. Därefter, slå på strömförsörjningen och ge en första ström av 0,1 A.
- Vänta 2 min för att nå ett stabilt tillstånd. Då, ökar den elektriska strömmen med steg om 0,3 A.
- Registrera temperaturen vid varje effektingång med hjälp av dataloggaren. Fortsätta försöket tills en maximal ström på 4 A nås. Samtidigt registrera bubbla dynamik f eller varje effektingång med hjälp av en CCD-kamera placerad framför poolen kokande kammare, som är fokuserat på provstycket.
Figur 2. Schematisk av Pool kokande kammaren. Glasrör är anslutna till båda sidor av den ihåliga kopparcylinder med silikonpasta. Detta är fixerad till poolen kokande kammare med silikonpasta. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Termo Positioning. 8 termoelement är placerade inuti hål av 1 mm diameter periferiskt i teststycket rum vid en diameter på 20 mm. Djupet av alternerande hål 1 mm diameter är fastställda till 5 mm och 7 mm respektive./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3. Data Reduktion
- Beräkna värmetillförseln (Q) med hjälp av följande ekvation 19
Q = I V (1)
OBS: I och V är den inmatade strömmen i ampere och spänningen i volt, respektive. - Uppskatta värmeförlust (Q förlust) från de två sidoytor genom användning av formeln 19:
(2)
OBS: k är värmeledningsförmågan hos koppar; T 7 mm och T 5 mm är de genomsnittliga värdena av temperaturen på ett djup på 7 mm och 5 mm, respektive; Ax (2 mm) är skillnaden mellan djupen; och
är tvärsektionsarean för test p IECE. - Bestämma värmeflödet (q '') genom användning av följande formel 19:
(3)
OBS: A = π d o l är omkretsområdet av provstycket. - Beräkna vägg överhettning (med användning av följande ekvation 19:
(4)
OBS: T m är medelvärdet av T 7 mm och T 5 mm, är längden av provstycket, r o (12,5 mm) yttre radie av provstycket, r m (10 mm) radie av provstycket vid mätning hål, och T satt är mättningstemperaturen för DI-vatten, såsom visas i fig 4. - Beräkna HTC (α) med användning av följande formel 19:
pload / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)
(2) 
är tvärsektionsarean för test p IECE. 
(3) 
(4) 
Figur 4. Schematisk bild av väggtemperaturen Analys. Väggtemperaturen beräknas med användning av den uppmätta genomsnittliga temperaturen och känd cylindrisk termisk resistans. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Pool-kokning värmeöverförings experiment utfördes på en hybrid vätbar cylindrisk yta med hjälp av experimentuppställning, vars schema visas i figur 5. Pool-kokning experimentella proceduren som beskrivs i steg 2 i protokollet sektionen fördes framgångsrikt samtidigt undersöka effekten av antalet interlining och av orienteringen av hybrid vätbara mönstret på poolen-kokande prestanda. Pool-kokning prestanda hos de olika behandlade ytor var representerade i termer av grafer: värmeflödet som funktion av vägg överhettning och HTC kontra värmeflödet.
För att validera den experimentella inställningarna fick pool kokande experimentella värmeöverförings resultaten av den släta kopparytan jämfört med det teoretiska korrelationsförutsägs av Cornwell och Houston i 1994 20, såsom visas i de följande equatipå:
(6)
där N u är Nusselt tal; A = 9.7p c 0,5, med p c = 221,2 bar; F (p) = 1.8p r 0,17 + 4p r 1,2 + 10p r 10, med p r = p / p c och p = 1,013 bar; Re b är den kokande Reynolds tal beräknas genom användning av ekvation 7, och Pr är Prandtl nummer.
(7)
där q '' är värmeflödet, D är den yttre diametern hos testbiten, | j, f är dynAmic viskositet, och h fg är den latenta förångningsvärmet vid mättningstemperaturen.
Den experimentella Nusselt antalet beräknas med användning av följande ekvation:
(8)
där α är HTC och k f är den termiska ledningsförmågan hos arbetsfluiden.
Figur 6 visar validerings grafen. Den experimentella Nusselt nummer är nästan samma som det teoretiska korrelations Nusselt numret för en speciell Reynolds tal.
Experimentell osäkerhet i det beräknade värmeflödet, väggen super värme och HTC beräknades med användning av Kline och McClintn metod 21. Fnsäkerhet i värmeflöde, var väggen super värme och HTC uppskattas i intervallet ± 15,3%, ± 1,7%, ± 15,5% respektive.
Figur 5. Schematisk av experimentuppställningen. Den experimentuppställning som används för att undersöka pool kokande föreställningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Validering av experimentuppställningen. En jämförelse mellan de föreliggande resultaten och korrelationen rapporteras av Cornwell och Houston 16 i en logaritmisk skala. Klicka här för att se en större version av denna siffra. >
Figur 7 (a) visar pool-kokning kurvor av den släta kopparytan, ett fullt superhydrofil yta, och hybrid ytor med olika antal interlining vid en 0 ° orientering. Pool-kokning kurva erhölls genom att plotta grafen av värmeflödet som funktion av vägg överhettning. Värmeflödet och vägg överhettning beräknades genom användning av ekvationerna 3 och 4, respektive. Ett vänsterskift i poolen-kokningskurva erhölls för åtta-interline yta, medan 2- och 4-interline ytor visade nästan liknande värden. Figur 7 (b) visar grafen av HTC kontra värmeflödet av olika ytor. HTC beräknas genom användning av ekvation 5. De HTCs av olika ytor jämfördes, och 8-interline ytan uppvisade det högsta värdet, medan den homogena superhydrofil ytan uppvisade det lägsta värdet.
ve_content" fo: keep-together.within-page = '1'> Bubble kärnbildningssätena i de olika ytorna registrerades med användning av en CCD-kamera Figur 8 indikerar att antalet bubblor på fullt superhydrofil ytan är den lägsta, och med ett. ökning av antalet interlining var bubblorna också visat sig öka.Poolen-kokningsprestanda av 2-, 4- och 8-interlined ytor och med olika orienteringar visas i figurerna 9 och 10. Jämfört med poolen kokande kurvan för 0 ° orientering, den 180 ° orientering visade en högerförskjutning. I fallet med 2-interlined ytor med olika grader av vinkelorientering, den 0 ° orientering visade en bättre kokande prestanda. 4- och 8-interlined ytor gav sin maximala förstärkning vid orienteringar av 90 ° och 45 °, respektive. I dessa fall kan lägena för den superhydrofil ytans var precis ovanför nedersta interlining. Figur 11 visar de bästa pool kokande föreställningar av olika interlining. Med en ökning av inter antal är HTCs visat sig förbättra.
Figur 7. Pool-kokande prestanda till ett 0 ° orientering. (a) Kokande kurvor för de olika ytorna. (b) Diagram av HTC kontra värmeflödet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Fotografier av bubbelkärnbildning. (a) Vanligt yta. (b) superhydrofil yta. (c) 2-interlined yta.(d) 4-interlined yta. (e) 8-interlined yta. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Effekt av orientering på poolen kokande kurva. Pool-kokpunkter kurvor av (a) en 2-interlined yta, (b) en 4-interlined yta, och (c) en 8-interlined yta med olika orienteringar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. Effekt av orientering på HTC kontra hanvid flussmedel. HTC kontra värmeflödet grafen av (a) en 2-interlined yta, (b) en 4-interlined yta, och (c) en 8-interlined yta med olika orienteringar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11. Jämförelse av de bästa pool-kokande föreställningar. (a) Kokande kurvor för de olika ytorna. (b) Diagram av den kokande HTC kontra värmeflödet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Putsch, G. Thermal challenges in the next generation of supercomputers. Proc. CoolCon MEECC Conference. , 1-83 (2005).
- 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).
- Barber, J., Brutin, D., Tadrist, L. A review on boiling heat transfer enhancement with nanofluids. Nanoscale Res. Lett. 6 (1), 280 (2011).
- 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).
- Berenson, P. J. Experiments on pool-boiling heat transfer. Int. J. Heat Mass Transfer. 5 (10), 985-999 (1962).
- 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).
- 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).
- Trisaksri, V., Wongwises, S. Critical review of heat transfer characteristics of nanofluids. Renew. Sust. Energy Rev. 11 (3), 512-523 (2007).
- Trisaksri, V., Wongwises, S. Nucleate Pool Boiling Heat Transfer of TiO2-R141b nanofluids. Int. J. Heat Mass Transfer. 52 (5-6), 1582-1588 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Takata, Y., Hidaka, S., Uraguchi, T. Boiling feature on a super water-repellent surface. Heat Transfer Eng. 27 (8), 25-30 (2006).
- Takata, Y., Hidaka, S., Masuda, M., Ito, T. Pool boiling on a super hydrophilic surface. Int. J. Energy Res. 27 (2), 111-119 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Holman, J. P. Experimental Methods for Engineers. , 7th ed, Tata McGraw Hill Education Private Limited. (2007).
