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Articolo metodologico

Enhancement Pool-ebollizione di trasferimento del calore su superfici cilindriche con i modelli ibridi bagnabili

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⸱

DOI:

10.3791/55387

⸱

10 aprile 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

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.

Abstract

In questo studio, sono stati eseguiti esperimenti di trasferimento di calore per l'ebollizione in piscina per studiare l'effetto del numero di interlinee e l'orientamento del modello ibrido bagnabile. I modelli ibridi bagnabili sono stati prodotti rivestendo SiO2 superidrofilo su una superficie di rame cilindrica idrofoba mascherata. Utilizzando acqua deionizzata (DI) come fluido di lavoro, sono stati condotti studi di trasferimento di calore in piscina sui diversi cilindri di rame trattati in superficie di un diametro di 25 mm e una lunghezza di 40 mm. I risultati sperimentali hanno mostrato che il numero di interlinee e l'orientamento del modello ibrido bagnabile influenzano il surriscaldamento della parete e l'HTC. Aumentando il numero di interlinee, l'HTC è stato migliorato rispetto alla superficie piana. Le immagini ottenute dalla telecamera del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) hanno indicato che si sono formate più bolle sulle interlinee rispetto ad altre parti. Il modello ibrido bagnabile con la sezione più bassa idrofobica ha fornito il miglior coefficiente di scambio termico (HTC). I risultati sperimentali hanno indicato che la dinamica delle bolle della superficie è un fattore importante che determina l'ebollizione del nucleato.

Introduzione

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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Protocollo

1. Preparazione delle superfici modificate

  1. 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.
  2. Si dispone la provetta lucidata in un forno per 2 ore a una temperatura costante di 120 ° C.
  3. Preparare una soluzione di nanoparticelle superidrofilia SiO 2 procede come segue.
    1. 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.
    2. Preparare la soluzione B miscelando un rapporto 1: 3 moli di etanolo e acqua deionizzata.
    3. Mescolare 1 mL di soluzione A e 80 mL di soluzione B e agitare per 2 ore.
    4. Aggiungere 32 g di SiO 2 nanoparticelle (diametro 40 nm) per la solu preparatozione e mescolare per 1 ora.
  4. 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.
  5. Preparare 2, 4, e 8 modelli ibridi interlined con diversi orientamenti lungo la direzione assiale (come mostrato in figura 1) utilizzando la seguente procedura.
    1. 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).
    2. 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.
    3. Rimuovere il nastro isolante dalla maschera per ottenere il numero necessario di interlining con il corretto orientamento.

figure-protocol-1
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

  1. Utilizzando il nastro isolante, fissare un tubo di vetro in ogni base circolare della provetta rivestita.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Collegare il riscaldatore a cartuccia ad un'unità di alimentazione a corrente continua (DC).
  5. 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.
  6. 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.
  7. Riempire 1.400 ml di acqua DI nella camera piscina bollente.
  8. Collegare il condensatore a riflusso per una camera di raffreddamento che viene mantenuta a 5 ° C.
  9. Prima dell'esperimento, l'ebollizione l'acqua DI nella camera piscina-bollente per 30 minuti usando il riscaldatore ausiliario.
  10. 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.
  11. Attendere per 2 minuti al fine di raggiungere uno stato stazionario. Quindi, aumentare la corrente elettrica con incrementi di 0,3 A.
  12. 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.

figure-protocol-2
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.

figure-protocol-3
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

  1. 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.
  2. Valutare la perdita di calore (perdita Q) dalle due superfici laterali utilizzando la formula 19:
    figure-protocol-4 (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
    figure-protocol-5 è l'area della sezione trasversale del test p IECE.
  3. Determinare il flusso di calore (q '') utilizzando la seguente formula 19:
    figure-protocol-6 (3)
    NOTA: A = π d o l è la zona circonferenziale della provetta.
  4. Calcolare il surriscaldamento parete (usando la seguente equazione 19:
    figure-protocol-7 (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.
  5. Calcolare l'HTC (α) utilizzando la seguente formula 19:
    PLOAD / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8
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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Risultati

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 b...

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Discussione

L'obiettivo principale di questa indagine è stato quello di sviluppare un dissipatore di calore per applicazioni ad alta dissipazione del calore, come reattori nucleari, caldaie e tubi di calore, introducendo la superficie bagnabile ibrida, come descritto nella sezione del protocollo. Queste superfici possono produrre migliori prestazioni di ebollizione della piscina rispetto alle superfici bagnabili omogenee (idrofile e idrofobe). Il miglioramento delle prestazioni di trasferimento del calore di ebollizione è dovuto ad ...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il sostegno finanziario del Ministero della Scienza e della Tecnologia, MOST (numeri di progetto: 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 e MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
deionizzata
Nanopolvere di silice, 40 nmUniRegion Bio-Tech60676860
EtanoloECHO Chemical co. Ltd64175
Acido cloridricoSHOWA Chemical co. Ltd.
TetraetossisilanoSHOWA Chemical co., Ltd.78104
AcetoneUNI-ONWARD CORP.67641
Riscaldatore a cartucciaChung Shun Riscaldatore & Strumento Co, Ltd.
Vetro Pyrex Servizio di vetro per autoveicoli, Taiwan
Vetro temperato ordinarioServizio di vetro per auto, Taiwan
Pasta termicaElectrolubeEG-30 
Nastro isolanteChuan Chi Trading Co. LtdKapton Tape
Carta vetrataChuan Chi Trading Co. Ltd# 2000
Forno di riscaldamentoChung ChuanHong Sen HS-101
Bilance elettronicheA & D co. LtdGX400
Pulitore ad ultrasuoniBransonic Bransonic3510
Agitatore magneticoLinea giallaMST D S1
Data logger YokogawaMX-100
CCD cameraJVCLY35862-001A
pasta siliconicaPermatex599BR
AlimentatoreGwinstekGPR-20H50D
Nastro in teflon Chuan Chi Trading Co. LtdGoniometro ad
Sindatekmodello 100SB
Riscaldatore ausiliarioChuan Chi Trading Co. Ltd
Termocoppie di tipo TChuan Chi Trading Co. Ltd
Condensatore a riflusso...Chuan Chi Trading Co., Ltd
Plastica professionale infibra di vetro
Acqua 7647010 angolo di contatto a CS170000 , , Taiwan

Riferimenti

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