הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ברכת רותחים חום-העברת שיפור על גלילי משטחים עם דפוסי רטיבים היברידיים

8.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/55387

⸱

10 באפריל 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

ברכה-רותחים חומים-העברת ניסויים בוצעו כדי לבחון את ההשפעות של דפוסי רטיבים היברידיים על מקדם העברת חום (HTC). הפרמטרים של חקירה הם מספר interlines ואת נטיית הדפוס של משטח רטיבים השונה.

תקציר

במחקר זה, בוצעו ניסויי העברת חום בבריכה כדי לחקור את ההשפעה של מספר קווי הביניים והכיוון של דפוס ההרטבה ההיברידי. דפוסי הרטבה היברידיים הופקו על ידי ציפוי SiO2 סופר-הידרופילי על משטח נחושת גלילי, הידרופובי. תוך שימוש במים דה-יונים (DI) כנוזל העבודה, נערכו מחקרי העברת חום רותחים בבריכה על גלילי נחושת שונים שטופלו על פני השטח בקוטר 25 מ"מ ובאורך 40 מ"מ. תוצאות הניסוי הראו שמספר קווי הביניים והכיוון של דפוס ההרטבה ההיברידי השפיעו על חימום הקיר ועל ה-HTC. על ידי הגדלת מספר הקווים, ה-HTC שופר בהשוואה למשטח הרגיל. תמונות שהתקבלו ממצלמת מכשיר מצמד המטען (CCD) הצביעו על כך שנוצרו יותר בועות על קווי הביניים בהשוואה לחלקים אחרים. דפוס ההרטבה ההיברידי כאשר החלק התחתון ביותר הוא הידרופובי נתן את מקדם העברת החום הטוב ביותר (HTC). תוצאות הניסוי הצביעו על כך שדינמיקת הבועות של פני השטח היא גורם חשוב הקובע את רתיחת הגרעין.

מבוא

אש גבוהה שטף מזין מערכת אספקת קירור בטווח של 10-10 5 W / סנטימטר 2 נדרש בתחומי המתעוררים של אלקטרוניקה, הגנה, אוויוניקה, ופיתוח מתקן גרעיני. קירור קונבנציונלי עם אוויר אינו מספיק עבור יישומים אלה בשל מקדם תרמי הנמוך (HTC) עבור שני תנאים חופשיים ואלצה-הסעה. טכניקות קירור השלב מבוסס השינוי, כגון רתיחת ברכה וזרימה רותחת, הם טובות מספיק כדי להסיר ונתיבים חומים גבוהים על סדר 10 - 1000 W / הסנטימטר 2 1. מאחר שתהליך שני שלבים-העברת חום הוא בידוד תרמי, טמפרטורת המכשיר המקוררת היא כמעט קבועה על פני השטח שלה. בשל הווריאציה הזניחה של הטמפרטורה על פני השטח, את ההלם התרמי של המכשיר יכול להתבטל. עם זאת, הפרמטר המגביל העיקרי רותח-העברת חום הוא שטף החום הקריטי (CHF), אשר גורם לעלייה חריגה בטמפרטורה 2 .

בעשורים האחרונים, מחקר מקיף בוצע כדי לשפר את CHF באמצעות שינוי פני שטח, nanofluids, וציפויי משטח 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. בין השיטות השונות, ציפויי שטח נמצאים להיות השיטה הטובה ביותר לשפר את CHF בשל הגידול הניכר פני השטח. ציפוי וציור בדרך כלל להגדיל את העברת החום על ידי פעולת סנפיר, תופעות נקבוביות, משטח יכולת רטיבות 12. יכולת רטיבות משטח משחק תפקיד משמעותי רותחים-העברת חום. מחקרים קודמים הראו כי בתנאים חומים-שטף תחתונים, את המשטח ההידרופובי מציג HTC טוב יותר בשל ההתגרענות מוקדם. עם זאת, בשטף חום גבוה, הניתוק של הבועות הנוצרות איטי בשל הזיקה הנמוכה של מים לכיוון המשטח. זה מוביל לגיבוש בועת התוצאה הוא נמוך 3 CHF. מצד השני, משטח הידרופילי מייצר CHF גבוה, בגלל הניתוק המהיר של בועות הנוצרות, אבל זה נותן HTC נמוך ב ונתיבים חומים נמוכים, בשל עיכוב התגרענות בועת 13.

המבנים ההיברידיים להראות שיפור מדהים רותח חומה-העברה ולתמיד והנתיבים החומים בשל ההשפעה המשולבת של הידרופוביות hydrophilicity 14, 15, 16. הסו ואח. משטח רטיבים הטרוגנית המיוצר על ידי ציפוי סופר-הידרופילי Si חלקיקים על משטח נחושת רעול פנים. הם השיגו יחסי יכולת רטיבות שונים על ידי שינוי זמן הציפוי. תחילתה של רתיחה התרחשה מוקדם יותר על משטחים הטרוגנית בהשוואה hמשטח omogeneous, אשר הקטין את הקיר באופן משמעותי superheat 17. ג'ו ואח. מחקרים שנערכו רותחים חומים-העברת nucleate על משטחי הרטבה הידרופילי, הידרופובי, ו הטרוגנית. משטח ההרטבה הטרוגנית שהורכב נקודות בדוגמת הידרופובי על המשטח הידרופילי. הם קיבלו HTCs גבוה ואותו פרנק שוויצרי עבור פני השטח הטרוגנית לעומת משטח הידרופילי. שיפור רותח-העברת חום תלוי ישירות על מספר הנקודות על פני השטח ועל תנאי הרתיחה 18.

במחקר זה, דפוסי רטיבים היברידיים ציריים יוצרו על משטח נחושת גלילי באמצעות טכניקת ציפוי לטבול. ברכה-רותח מחקרים חומים-העברה נערכה על מנת לקבוע את ההשפעות של המספר interlines ושל הכיוון של דפוס רטיבים ההיברידי. שטף חום רתיחה, HTC, ודינמיקת בועה נותחו על מצעים מצופים מכל ואנחנומחדש לעומת המצע נחושת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנת המשטחים השתנו

  1. ידני למרק את חתיכת המבחן (צילינדר נחושת חלול באורך 40 מ"מ (L), בקוטר חיצוני 25 מ"מ (ד טו), לבין בקוטר פנימי 18 מ"מ (i ד)) עבור 15 דקות באמצעות שמיר # 2000 עיתון. נקה את המשטח המלוטש ידי שטיפה עם אצטון ואחריו מי DI.
  2. מניח את חתיכת מבחן המלוטשת בתנור במשך 2 h בטמפרטורה קבועה של C ° 120.
  3. כן פתרון ננו-חלקיקי סופר-הידרופילי SiO 2 באמצעות השלבים הבאים.
    1. כן פתרון על ידי ערבוב 1: 4 יחסים טוחנים של silane tetraethoxy ומי DI. להוסיף 2 טיפות של 37% מרוכזים HCl לפתרון ומערבבים במשך 2 h.
    2. הפוך B פתרון על ידי ערבוב של 1: יחס 3 טוחנת של אתנול ומים DI.
    3. מערבבים 1 מ"ל של פתרון 80 מ"ל של B פתרון ומערבבים במשך 2 h.
    4. להוסיף 32 גרם של חלקיקי 2 SiO (בקוטר 40 ננומטר) אל solu המוכןtion ומערבבים במשך 1 h.
  4. לטבול את חתיכת מבחן בתמיסה מוכנה באמצעות מנגנון ציפוי-לטבול במהירות של 5 מ"מ / דקה. שמור את חתיכת מבחן מצופה בתנור על 120 מעלות צלזיוס למשך 1 שעה.
  5. כן 2, 4, ו 8 דפוסים היברידיים interlined עם נטיות שונות לאורך הכיוון הצירי (כפי שמוצג באיור 1) באמצעות השלבים הבאים.
    1. להסוות את האזור להיות ללא ציפוי באמצעות סרט בידוד בהתאם למספר הנדרש של interlines עם הכיוון הנכון (עבור השטח 2-לבטן לבעלי נטייה 0 °, להתאים interlines במרכז ואזור הסופר-הידרופילי (אזור המיועד לציפוי) על בצד העליון. מצד שני, עבור האוריינטציה 90 °, להתאים לבטן אחד בראש אחר בתחתית ועל הכיוון 180 מעלות, לכוון אזור הסופר-הידרופילי בתחתית ואת interlines במרכז. בדומה לכך, להתאים את עמדה של משטחי interlined 4, 8 עם o השונהrientation כפי שמוצג באיור 1).
    2. לטבול את חתיכת מבחן הרעולה פנים בתמיסה המוכנה באמצעות מנגנון ציפוי לטבול, לטבול בכל מהירות עליית טבילה גבוהה בכל מהירות איטית של 5 מ"מ / דקה. שמור את חתיכת מבחן מצופה בתנור על 120 מעלות צלזיוס למשך 1 שעה.
    3. הסר את סרט הבידוד מהאזור הרעול הפנים כדי להשיג את המספר הדרוש של interlines עם הכיוון הנכון.

figure-protocol-1
איור 1. מבחר משטחי Interlined שונים. (א) סכמטי של משטחי interlined שונים עם נטיות שונות. יחס השטח של משטח נחושת רגיל משטח סופר-הידרופילי הוא 1: 1 בכל התנאי. (ב) אורינטציה קריטריונים לבחירה. (ג) צפה איזומטרי של משטח ° זווית אוריינטציה 2 לבטן 0. אורינטציה נבחרה הזווית בין קו הבסיס והציפוימרכז קו של דפוס הידרופילי הראשון מהצד העליון וזה נמדד בכיוון השעון. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. נוהל ניסיוני

  1. באמצעות סרט בידוד, לתקן צינור זכוכית אחד בכל בסיס עגול של חתיכת מבחן מצופה.
  2. אופקי לתקן הרכבה זו לתא 140- 140- x x 160 מ"מ (כפי שמוצג באיור 2) באמצעות הדבק סיליקון פי למצב הרצוי של interlines.
  3. מניחים בקוטר 550-W, 18 מ"מ, ו 40 מחמם מחסנית-ארוך מ"מ עם שכבה דקה של ממרח תרמית על האזור ההיקפי לתוך החור של חתיכת מבחן.
  4. חברו את דוד מחסנית כדי זרם ישיר (DC) יחידת אספקת החשמל.
  5. צמדי T-סוג מקום לתוך 8 חורי 1 המ"מ-ברווחים שווים, עם מעמקים חלופיים של 5 מ"מ ו 7 מ"מ כפי שמוצגים באיור3 ולחבר אותם אל לוגר נתונים.
  6. הכנס ולתקן גלאי טמפרטורה התנגדות (RTD), מעבה ריפלוקס, וכן דוד עזר בתוך המשבצות על המכסה העליון. תקן אותם מעל התא הרותח.
  7. מלאו 1400 מ"ל מים DI לתוך תא-רותחים הבריכה.
  8. חברו את מעבה ריפלוקס כדי בתא הקירור שמתוחזק על C ° 5.
  9. לפני הניסוי, במרץ להרתיח את המים DI בתא-רותחים הבריכה למשך 30 דקות באמצעות מחמם עזר.
  10. שמור על מי DI על מצב הרתיחה הרוויה באמצעות מחמם העזר. לאחר מכן, לעבור על אספקת החשמל ולתת זרם ראשוני של 0.1 A.
  11. מתן 2 דקות כדי להגיע למצב יציב. ואז, להגביר את הזרם החשמלי בקפיצות של 0.3 A.
  12. רשום את הטמפרטורה בכל קלט כוח באמצעות לוגר נתונים. משך הניסוי עד זרם מרבי של 4 א 'הגיע. בינתיים, להקליט את F דינמיקת הבועה או כל קלט כוח באמצעות מצלמת CCD להציב מול התא רותח-הברכה, אשר התמקדה חתיכת המבחן.

figure-protocol-2
איור 2. סכמטי של לשכת ברכה הרותחת. צינורות זכוכית מחוברים משני צידי גליל הנחושת החלול עם רסק סיליקון. זו תוקנה לתא רותחים הבריכה עם רסק סיליקון. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-protocol-3
איור 3. תרמי מיצוב. 8 צמדים ממוקמים בתוך החורים בקוטר 1 מ"מ circumferentially במקום מבחן האחר חלק בקוטר של 20 מ"מ. מצולות חורים בקוטר 1 מ"מ חלופי שתוקנו ב 5 מ"מ ו 7 מ"מ בהתאמה./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

3. הפחתת נתונים

  1. חשב את קלט חום (Q) באמצעות המשוואה הבאה 19
    Q = אני V (1)
    הערה: אני ו- V הוא נוכחי קלט אמפר והמתח בוולטים, בהתאמה.
  2. הערך את איבוד חום (הפסד Q) משני משטחי הצד באמצעות הנוסחה 19:
    figure-protocol-4 (2)
    הערה: K הוא מוליכות תרמית של נחושת; T 7 מ"מ ו- T 5 מ"מימ הם הערכים הממוצעים של הטמפרטורה בעומקים של 7 מ"מ ו 5 מ"מ, בהתאמה; Δx (2 מ"מ) הוא ההבדל בין המעמקים; ו
    figure-protocol-5 הוא חתך באזור של p המבחן iece.
  3. קבע את שטף חום (q "") באמצעות הנוסחה הבאה 19:
    figure-protocol-6 (3)
    הערה: A = π ד o L הוא האזור ההיקפי של חתיכת מבחן.
  4. חשבתי את superheat הקיר (באמצעות המשוואה הבאה 19:
    figure-protocol-7 (4)
    הערה: m T הוא הממוצע של מ"מ T 7 ו- T 5 מ"מ, הוא אורך הקטע מבחן, R o (12.5 מ"מ) הרדיוס החיצוני של היצירה הבדיקה, r m (10 מ"מ) רדיוס חתיכת מבחן בבית מדידת חורים, ו- T ישב היא הטמפרטורה הרוויה של מי DI כפי שמוצג באיור 4.
  5. חשב את HTC (α) באמצעות הנוסחה הבאה 19:
    pload / 55,387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8
סכמטי באיור 4. ניתוח טמפרטורה סטריט. הטמפרטורה וול מחושב לפי הטמפרטורה הממוצעת הנמדדת והתנגדות תרמית גלילי ידוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

ברכה-רותחים חומים-העברת ניסויים נערכו על משטח גלילי היברידי רטיבים באמצעות הגדרת ניסוי סכמטי אשר מוצג באיור 5. ההליך הניסיוני-רותח הברכה הסביר בשלב 2 של הסעיף בפרוטוקול בוצע בהצלחה בזמן שהוא חוקר את ההשפעה של המספר interlines ושל הכיוון של הדפוס ההיברידי רטיבים על הביצועים רותחים-ברכה. ההופעות רותחות הברכה של המשטחים השונים שטופל היו מיוצגות במונחים של גרפים: שטף החום מול superheat הקיר ואת HTC מול שטף החום.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

המטרה העיקרית של מחקר זה הייתה לפתח גוף קירור רותח לבריכה עבור יישומי פיזור חום גבוה, כגון כורים גרעיניים, דוודים וצינורות חום, על ידי הכנסת המשטח ההיברידי הרטוב, כמתואר בסעיף הפרוטוקול. משטחים אלה יכולים לייצר ביצועי הרתחת בריכה טובים יותר מאשר משטחים הומוגניים הניתנים להרטבה (הידרופיליים והידרופוביים). השיפור בביצועי העברת החום הרותח נובע מעלייה באתרי גרעין פעילים וניתוק קל של הבועות שנוצרו מפני השטח. במחקר זה, שקלנו את ההשפעות של מספר קווי הביניים והכיוון של דפוסי הרטיבות ההיברידיים על ביצועי הרתיחה בבריכה. המספר המרב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

המחברים מודים בתודה על תמיכת המימון ממשרד המדע והטכנולוגיה, MOST (מספרי הפרויקטים: 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, ו-MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
נטולי יונים
ננו אבקת סיליקה, 40 ננומטרUniRegion Bio-Tech60676860
אתנולECHO כימיקלים בע"מ64175
חומצה הידרוכלוריתSHOWA כימית בע"מ
TetraethoxysilaneSHOWA כימיקלים בע"מ78104
אצטוןUNI-ONWARD CORP.67641
מחמם מחסניות מחמםצ'ונג שון & אינסטרומנט בע"מ
זכוכית פיירקס שירות זכוכית לרכב, טייוואן
זכוכית קשוחה רגילהשירות זכוכית לרכב, משחה תרמית טייוואן
אלקטרו-סיכהEG-30 
סרט בידודצ'ואן צ'י מסחר ושות' בע"מקפטון קלטת
נייר זכוכיתצ'ואן צ'י מסחר ושות' בע"מ#2000
תנור חימוםצ'ונג צ'ואןהונג סן HS-101
מאזניים אלקטרונייםA& D co. בע"מGX400
אולטרסאונד מנקהBransonicBransonic 3510
מגנט בוחשקו צהובMST D S1
לוגר נתונים מצלמת יוקוגאווהMX-100
CCDJVCLY35862-001A
משחת סיליקוןPermatex599BR
ספק כוחGwinstekGPR-20H50D
קלטת טפלון צ'ואן צ'י מסחר ושות' בע"מCS170000
זווית מגע גוניומטרSindatekדגם 100SB
מחמם עזרצ'ואן צ'י מסחר ושות' בע"מ
צמדים תרמיים מסוג Tצ'ואן צ'י מסחר ושות' בע"מ
ריפלוקס מעבה צ'ואן צ'י מסחר ושות' בע"מ
פלסטיק מקצועי סיבי זכוכיתטייוואן
מים 7647010,

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

SiO2CCDData Logger
ברכת רותחים חום-העברת שיפור על גלילי משטחים עם דפוסי רטיבים היברידיים
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.