Summary
Pool siedenden Wärmeübertragungs Experimente wurden durchgeführt, um die Auswirkungen von Hybrid-Spritzmuster auf dem Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) zu beobachten. Die Parameter der Untersuchung sind die Anzahl der Zwischenzeilen und die Musterausrichtung der modifizierten benetzbare Oberfläche.
Introduction
Ein hoher Wärmefluß erhaltKühlSystems im Bereich von 10 bis 10 Mai W Bereitstellung / cm 2 wird in den Schwellen Bereichen Elektronik, Verteidigungs-, Avionik und Kerngeräteentwicklung erforderlich. Herkömmliche Kühlung mit Luft nicht ausreichend ist für diese Anwendungen aufgrund der geringen Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) sowohl für Frei und erzwungener Konvektion Bedingungen. Die Phasenänderung-basierten Kühltechniken, wie Pool Sieden und Sieden fließen, sind gut genug , um hohe Wärmeströme in der Größenordnung von 10 zu entfernen - 1.000 W / cm 2 1. Da der Zwei-Phasen-Wärmeübertragungsvorgang isotherm ist, wird die gekühlte Gerätetemperatur über seine Oberfläche nahezu konstant. Aufgrund der vernachlässigbaren Variation der Temperatur entlang der Oberfläche, kann der thermische Schock der Vorrichtung beseitigt werden. Allerdings ist die Hauptbegrenzungs Parameter in siedendem Wärmeübertragungs der kritische Wärmefluss (CHF), die einen anormalen Temperaturanstieg verursacht 2
In den letzten Jahrzehnten wurde umfangreiche Forschung durchgeführt , die CHF zu verbessern , indem die Oberflächenmodifikation unter Verwendung Nanoflüssigkeiten und Oberflächenbeschichtungen , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Unter den verschiedenen Methoden, Oberflächenbeschichtungen die beste Methode zur Verbesserung der CHF aufgrund der erheblichen Zunahme der Oberfläche befunden werden. Oberflächenbeschichtungen erhöhen im allgemeinen die Wärmeübertragung durch fin Aktion, Porosität Effekte und Oberflächenbenetzbarkeit 12. Benetzbarkeit der Oberfläche spielt eine bedeutende Rolle Wärmetransfer in siedendem. Frühere Studien zeigen bei niedrigeren Wärmeflussbedingungen, dass die hydrophobe Oberfläche besser HTC aufgrund der frühen Keimbildung zeigt. Doch beihöherer Wärmefluss ist die Ablösung der gebildeten Blasen langsam aufgrund der geringen Affinität von Wasser in Richtung der Oberfläche. Dies führt zu einer Blasenvereinigung und führt zu einem geringeren 3 CHF. Auf der anderen Seite erzeugt eine hydrophile Oberfläche eine höhere CHF, wegen der schnellen Ablösung der gebildeten Blase, aber es gibt eine geringere HTC bei niedrigen Wärmeflüssen, aufgrund der Verzögerung in Blasennukleierung 13.
Die Hybridstrukturen zeigen eine bemerkenswerte Verbesserung Wärmeübertragung für alle Wärmeflüsse aufgrund der kombinierten Wirkung der Hydrophobie und Hydrophilie 14, 15, 16 in sieden. Hsu et al. hergestellte heterogene benetzbare Oberfläche superhydrophilen Si durch Beschichtung Nanopartikel auf einer maskierte Kupferoberfläche. Sie erreichten unterschiedliche Benetzbarkeit Verhältnisse durch die Beschichtungszeit variiert. Der Beginn des Kochens aufgetreten früher auf den heterogenen Oberflächen im Vergleich zu dem Homogeneous Oberfläche, die im wesentlichen die Wand 17 verringert hitzen. Jo et al. Blasensieden Wärmeübertragungs Studien auf hydrophile, hydrophobe und heterogenen Benetzungsflächen durchgeführt. Die heterogene Benetzungsfläche wurde aus hydrophoben gemusterten Punkten auf der hydrophilen Oberfläche bestehen. Sie haben höhere HTCs und die gleiche CHF für die heterogene Oberfläche im Vergleich zu der hydrophilen Oberfläche. Eine Verbesserung in der Siedehitze Übertragung hängt direkt von der Anzahl der Punkte auf der Oberfläche und auf die Siedebedingungen 18.
In dieser Studie axiale hybrid benetzbar Muster wurden auf einer zylindrischen Kupferoberfläche unter Verwendung der Tauchbeschichtungstechnik hergestellt. Pool siedende Wärmeübertragungs Studien wurden durchgeführt, um die Auswirkungen der Reihe von Zwischenzeilen und der Orientierung des Hybrids benetzbar Muster zu bestimmen. Boiling Wärmefluss, HTC, und Blasendynamik wurden für die alle beschichteten Substrate analysiert und wirerneut gegenüber dem Kupfersubstrat.
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Protocol
1. Herstellung der modifizierten Oberflächen
- Polieren manuell das Prüfstück (hohlen Kupferzylinder mit einer 40-mm - Länge (l) in einem 25-mm Außendurchmesser (d o), und ein 18-mm - Innendurchmesser (d i)) für 15 min unter Verwendung eines # 2000 Emery unter Verwendung Papier. Reinigen Sie die polierte Oberfläche indem sie sie mit Aceton, gefolgt von DI-Wasser gespült.
- Platzieren Sie das polierte Teststück in einem Ofen für 2 Stunden bei einer konstanten Temperatur von 120 ° C.
- Vorbereiten einer superhydrophilen SiO 2 Nanopartikellösung die folgenden Schritte verwendet wird .
- Bereiten Lösung A durch Mischen von 1: 4 Molverhältnisse von Tetraethoxysilan und DI-Wasser. 2 Tropfen 37% konzentrierte HCl zur Lösung A hinzu und rührt 2 Stunden.
- Make-Lösung B durch ein 1 Mischen: 3 Molverhältnis von Ethanol und DI-Wasser.
- Mix 1 ml Lösung A und 80 ml Lösung B hinzu und rühre 2 Stunden.
- Fügen Sie 32 g SiO 2 -Nanopartikel (40 nm Durchmesser) auf die vorbereitete solution und rühre 1 h.
- Tauchen des Prüfkörpers in der vorbereiteten Lösung durch die Tauchbeschichtungsvorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 5 mm / min verwendet. Halten Sie das beschichtete Teststück in einem Ofen bei 120 ° C für 1 h.
- Bereiten 2, 4, 8 und wattierte Hybridmuster mit unterschiedlichen Orientierungen entlang der axialen Richtung mit Hilfe der folgenden Schritte (wie in Abbildung 1 gezeigt).
- Maskiert den Bereich unbeschichtet sein, mit dem Isolierband entsprechend die erforderlichen Anzahl von Zwischenzeilen mit der richtigen Orientierung (für die 2-Interline-Oberfläche bei einer 0 ° Orientierung, stellen Zwischenzeilen in der Mitte und der superhydrophilen Bereich (Bereich zu beschichtende) auf die Oberseite. Andererseits seits~~POS=HEADCOMP wird für die Ausrichtung 90 °, stellt eine Zwischenzeile am oberen Ende und ein anderen am unteren Ende und für die 180 ° -Ausrichtung, superhydrophilen Bereich auf der Unterseite und die Zwischenzeilen in der Mitte eingestellt wird. in ähnlicher Weise justiert die Position der 4, 8 wattierten Oberflächen mit der verschiedenen orientation wie in Abbildung 1 gezeigt).
- Tauchen des maskierten Prüfstück in der hergestellten Lösung, die durch eine Tauchbeschichtungsvorrichtung verwendet wird, bei einer hohen dip Tauchgeschwindigkeit und Anstieg bei einer langsamen Geschwindigkeit von 5 mm / min. Halten Sie das beschichtete Teststück in einem Ofen bei 120 ° C für 1 h.
- Entfernen Sie das Isolierband aus dem maskierten Bereich die erforderlichen Anzahl von Zwischenzeilen mit der richtigen Orientierung zu erhalten.
Abbildung 1. Auswahl von verschiedenen wattierte Oberflächen. (a) Schematische Darstellung der verschiedenen wattierte Flächen mit unterschiedlichen Orientierungen. Das Flächenverhältnis einer glatten Kupferoberfläche und eine superhydrophile Oberfläche ist, von 1: 1 unter allen Bedingungen. (b) Ausrichtung Auswahlkriterien. (c) isometrische Ansicht der 2 Interline 0 ° Winkel orientiert Oberfläche. Die Orientierung wird als der Winkel zwischen der Basislinie ausgewählt und BeschichtungsMittellinie des ersten hydrophilen Musters von der oberen Seite, und es wird im Uhrzeigersinn gemessen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
2. Experimentelles Verfahren
- Unter Verwendung des Isolierband, fixieren ein Glasrohr an jeder kreisförmigen Basis des beschichteten Teststücks.
- Horizontal fixiert diese Baugruppe in der 140- 140- x x 160 mm-Kammer unter Verwendung von Silikonpaste nach der gewünschten Position der Zwischenzeilen (wie in Abbildung 2 gezeigt).
- Legen Sie eine 550-W, 18 mm Durchmesser und 40 mm langen Heizpatrone mit einem dünnen Film aus Wärmeleitpaste auf der Umfangsfläche in das Loch des Prüflings.
- Verbinden Sie die Heizpatrone in einen Gleichstrom (DC) Energieversorgungseinheit.
- Ort T-Typ - Thermoelemente in die 8 gleich beabstandeten Löcher von 1 mm, mit abwechselnden Tiefen von 5 mm und 7 mm , wie gezeigt in Fig3 Schließen Sie sie an den Datenlogger.
- Einsetzen und fixieren Widerstandstemperaturdetektoren (RTD), einen Rückflusskühler und einen Zuheizer in den auf der oberen Abdeckung vorgesehen Flächen. Fix sie über die Siedekammer.
- Füllen Sie 1400 ml DI-Wasser in den Pool-Siedekammer.
- Schließen Sie den Rückflußkühler in eine Kühlkammer, die bei 5 ° C gehalten wird.
- Vor dem Experiment, kochen kräftig das DI-Wasser in den Pool-Siedekammer für 30 min, um die Zusatzheizung verwendet wird.
- Halten Sie das DI-Wasser im gesättigten siedenden Zustand durch die Zusatzheizung verwendet wird. Anschließend schalt die Stromversorgung und einen ersten Strom von 0,1 A.
- Warten für 2 min, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Dann erhöht den elektrischen Strom in Schritten von 0,3 A.
- Aufzeichnen die Temperatur an jedem Stromeingang durch den Datenlogger verwendet. Weiter das Experiment, bis ein Maximalstrom von 4 A erreicht ist. Inzwischen notieren Sie die Blasendynamik f oder jeder Stromeingang von einer CCD-Kamera angeordnet vor den Pool-Siedekammer, die auf dem Teststück fokussiert wird.
Abbildung 2. Schematische Darstellung des Pool-Siedekammer. Glasrohre sind an beiden Seiten des hohlen Kupferzylinders mit Silikonpaste verbunden. Dies wird mit Silikonpaste zum Pool-Siedekammer befestigt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Thermoelement Positionierung. 8-Thermoelemente sind in den Bohrungen von 1 mm Durchmesser in Umfangsrichtung in dem Prüfstück Ort bei einem Durchmesser von 20 mm platziert. Die Tiefen von abwechselnden 1 mm Durchmesser Löcher werden bei 5 mm und 7 mm bzw. fixiert./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg“target =‚_ blank‘> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
3. Datenreduktion
- Berechnen Sie die Wärmezufuhr (Q) durch die folgende Gleichung unter Verwendung von 19
Q = I V (1)
HINWEIS: I und V ist der Eingangsstrom in Ampere und die Spannung in Volt, respectively. - Schätzen , um den Wärmeverlust (Q Verlust) von den beiden Seitenflächen mit Hilfe der Formel 19:
(2)
HINWEIS: k ist die thermische Leitfähigkeit von Kupfer; T 7 mm T 5 mm und sind die Mittelwerte der Temperatur in einer Tiefe von 7 mm und 5 mm sind; & Dgr; x (2 mm) ist der Unterschied zwischen der Tiefe; und
ist die Querschnittsfläche des Test p IECE. - Bestimmen Sie den Wärmefluß (q ‚‘) unter Verwendung der folgenden Formel 19:
(3)
HINWEIS: A = π d o l ist der Umfangsbereich des Prüflings. - Berechnen der Wandüberhitzung (unter Verwendung der folgenden Gleichung 19:
(4)
HINWEIS: Die T m ist der Durchschnitt der T 7 mm und T 5 mm ist die Länge des Prüfkörpers, r o (12,5 mm) Außenradius des Prüfkörpers, r m (10 mm) Radius des Prüfstücks bei der Löcher zu messen und T sat die Sättigungstemperatur von DI - Wasser , wie in Abbildung 4 dargestellt. - Berechnen Sie die HTC (α) mit der folgenden Formel 19:
pload / 55387 / 55387eq5.jpg“/> (5)
(2) 
ist die Querschnittsfläche des Test p IECE. 
(3) 
(4) 
Abbildung 4. Schematische Darstellung der Wandtemperatur - Analyse. Wandtemperatur wird unter Verwendung des gemessenen Durchschnittstemperatur und bekannten zylindrischen Wärmewiderstand errechnet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Representative Results
Pool siedenden Wärmeübertragungsexperimente wurden auf einer Hybrid - benetzbaren zylindrischen Oberfläche durchgeführt unter Verwendung des experimentellen Aufbaus , deren schematischen wird in 5 gezeigt. Der Pool siedende experimentelle Verfahren erläutert in Schritt 2 des Protokolls Abschnitt wurde erfolgreich durchgeführt, während die Wirkung der Anzahl von Zwischenzeilen und der Orientierung des Hybrids benetzbar Muster auf dem Pool siedende Leistung zu untersuchen. Die Pool-siedenden Leistungen der verschiedenen behandelten Oberflächen wurden in Bezug auf den Graphen dargestellt werden: der Wärmeflusses gegen die Wand Überhitzung und den HTC gegenüber dem Wärmefluss.
Um den experimentellen Aufbau, pool siedende experimentelle Wärmeübertragungs Ergebnisse der blanken Kupferoberfläche zu validieren , wurde mit der theoretischen Korrelation durch Cornwell und Houston 1994 20 vorhergesagt , verglichen, wie in dem folgenden equati gezeigteauf:
(6)
wobei N u die Nusselt - Zahl; A = 9.7p c 0,5, mit p c = 221,2 bar; F (p) = 0,17 + 1.8p R 4p + r 1,2 r 10 p 10, mit p = r p / p c und p = 1,013 bar; Re b die siedende Reynolds - Zahl berechnet unter Verwendung der Gleichung 7 und Pr die Prandtl - Zahl.
(7)
wobei q ‚‘ der Wärmefluss, D der Außendurchmesser des Prüfkörpers, uf die dynAmic Viskosität und h fg ist die latente Verdampfungswärme bei Sättigungstemperatur.
Die experimentelle Nusselt-Zahl wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
(8)
wobei α die HTC und K f ist , ist die thermische Leitfähigkeit des Arbeitsfluids.
Abbildung 6 zeigt die Validierungsdiagramm. Die experimentelle Nusselt-Zahl ist fast das gleiche wie die theoretische Korrelation Nusselt-Zahl für eine bestimmte Anzahl Reynolds.
Experimentelle Unsicherheit in dem berechneten Wärmestrom, die Wand und den Überhitzungswärme HTC wurde unter Verwendung von berechnet Kline und McClintn Methode 21. UnSicherheit in Wärmefluß, die Wand und die Überhitzungswärme HTC im Bereich von ± 15,3% geschätzt wurden, ± 1,7%, ± 15,5% an.
Abbildung 5 : Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Der Versuchsaufbau verwendet, um die Pool siedende Leistungen zu untersuchen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. Validation des Versuchsaufbaus. Ein Vergleich zwischen den vorliegenden Ergebnissen und der von Cornwell und Houston 16 in einer logarithmischen Skala angegeben Korrelation. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. >
Figur 7 (a) zeigt Pool siedende Kurven der blanken Kupferoberfläche, eine vollständig superhydrophile Oberfläche und Hybridoberflächen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zwischenzeilen bei einer 0 o Orientierung. Der Pool siedende Kurve wurde durch Auftragen der Graph des Wärmeflusses gegen die Wand Überhitzungs erhalten. Der Wärmestrom und Wand Überhitzungs wurden unter Verwendung der Gleichungen 3 bzw. 4 ermittelt. Eine Verschiebung nach links in dem Pool-Siedekurve wurde für die 8-Zwischenzeilen-Oberfläche erhalten, während die 2- und 4-Interline-Oberflächen fast Ähnliche Werte zeigten. Figur 7 (b) zeigt die grafische Darstellung des HTC gegenüber dem Wärmefluß von verschiedenen Oberflächen. Das HTC wird unter Verwendung von Gleichung 5 berechnet. Die HTCs verschiedener Oberflächen wurden verglichen, und die 8-Zwischenzeilen-Oberfläche zeigte den höchsten Wert, während die homogene superhydrophile Oberfläche, um den niedrigste Wert ergab.
ve_content“fo: keep-together.within-page =‚1‘> Blasennukleierung Stellen der verschiedenen Oberflächen wurden unter Verwendung einer CCD - Kamera aufgezeichnetes Bild 8 zeigt an, dass die Zahl der Blasen auf der vollständig superhydrophilen Oberfläche die niedrigste ist, und mit einem. Erhöhung der Anzahl von Zwischenzeilen wurden die Blasen auch erhöhen gefunden.Die Pool siedende Leistung von 2-, 4- und 8-wattierten Oberflächen und mit unterschiedlichen Ausrichtungen in den Figuren gezeigt sind , 9 und 10. Im Vergleich zu dem Pool siedende Kurve der 0 ° Orientierung, zeigte die 180 ° -Ausrichtung eine Verschiebung nach rechts. Im Fall von 2-wattierten Oberflächen mit unterschiedlichen Graden der Winkelausrichtung, die 0 ° -Ausrichtung zeigte eine bessere Leistung Sieden. 4- und 8-wattierte Oberflächen gaben ihre maximale Verstärkung bei Orientierungen von 90 ° und 45 °. In diesen Fällen werden die Positionen der superhydrophilen Oberfläches waren knapp oberhalb der untersten Zwischenzeilen. 11 zeigt die besten Pool siedenden Leistungen verschiedener Zwischenzeilen. Mit einem Anstieg der Zahl Interlining werden die HTCs verbessern gefunden.
Abbildung 7. Pool siedende Leistung bei 0 ° -Orientierung. (a) siedende Kurven für die verschiedenen Oberflächen. (B) Grafische Darstellung des HTC gegenüber dem Wärmestrom. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 8. Fotografien von Blasenkeimbildung. (a) glatte Oberfläche. (b) superhydrophile Oberfläche. (c) 2-wattierte Oberfläche.(d) 4-wattierte Oberfläche. (e) 8-wattierte Oberfläche. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 9. Wirkung der Orientierung auf dem Pool siedende Kurve. Pool siedende Kurven von (a) eine 2-wattierten Oberfläche, (b) eine 4-wattierte Oberfläche, und (c) eine 8-wattierte Oberfläche mit unterschiedlichen Ausrichtungen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figure 10. Wirkung der Orientierung auf dem HTC gegen die eram Fluss. Das HTC gegenüber dem Wärmefluß Graph von (a) eine 2-wattierten Oberfläche, (b) eine 4-wattierte Oberfläche, und (c) eine 8-wattierte Oberfläche mit unterschiedlichen Ausrichtungen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 11. Vergleich der besten Pool siedenden Leistungen. (a) siedende Kurven für die verschiedenen Oberflächen. (b) Grafische Darstellung des siedenden HTC gegenüber dem Wärmefluss. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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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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