Enhancement Pool-ebollizione di trasferimento del calore su superfici cilindriche con i modelli ibridi bagnabili
10 aprile 2017
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.
L'obiettivo generale di questo esperimento è studiare l'effetto del numero e dell'orientamento di modelli assiali bagnabili sulla trasmissione del calore in ebollizione libera. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali nel campo del trasferimento di calore in ebollizione libera, come l'effetto della variabilità ibrida sul coefficiente di trasferimento di calore in ebollizione e sulla dinamica delle bolle. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente di misurare con precisione il coefficiente di trasferimento di calore in ebollizione libera e la dinamica delle bolle su superfici bagnabili ibride.
Per iniziare, lucidare manualmente un cilindro di rame cavo per 15 minuti utilizzando carta vetrata numero 2.000. Pulire la superficie lucidata risciacquandola con acetone seguito da acqua deionizzata. Posizionare il pezzo di prova lucidato in una stufa per due ore a una temperatura costante di 120 gradi Celsius.
Per preparare una soluzione di nanoparticelle di biossido di silicio superidrofila, preparare prima la soluzione A mescolando silano tetraetossido e acqua deionizzata. Quindi aggiungere due gocce di HCl al 37% concentrato alla soluzione A e agitare per due ore. Successivamente, preparare la soluzione B mescolando etanolo e acqua deionizzata.
Quindi mescolare un millilitro della soluzione A e 80 millilitri della soluzione B e agitare per due ore. Aggiungere 32 grammi di nanoparticelle di biossido di silicio alla soluzione preparata e agitare per un'ora prima di immergere il campione come descritto nel protocollo del testo. Successivamente, preparare due modelli ibridi interlineati con orientamenti diversi lungo la direzione assiale del campione, mascherando l'area da non rivestire utilizzando nastro isolante in base al numero richiesto di interlinee con l'orientamento appropriato.
Per le due superfici con linee interposte a orientamento zero gradi, posizionare le linee interposte al centro e l'area superidrofila sul lato superiore. Al contrario, per l'orientamento di 180 gradi, posizionare l'area superidrofila sul lato inferiore e le linee interposte al centro. Regolare in modo analogo la posizione delle superfici con quattro e otto linee interposte rispettando le diverse orientazioni.
Successivamente, immergere il pezzo di prova mascherato nella soluzione preparata utilizzando un apparato per rivestimento a immersione a elevata velocità di immersione, ed estrarlo a bassa velocità di cinque millimetri al minuto. Mantenere il pezzo di prova rivestito in un forno a 120 gradi per un'ora. Infine, rimuovere il nastro isolante dall'area mascherata per ottenere il numero richiesto di interlinee con l'orientamento corretto.
Utilizzando nastro isolante, fissare un tubo di vetro su ciascuna base circolare del provino rivestito. Fissare orizzontalmente questo insieme alla camera utilizzando pasta siliconica, in base alla posizione richiesta delle interlinee. Inserire un riscaldatore a cartuccia con un sottile strato di pasta termoconduttiva nell'area circonferenziale all'interno del foro del provino.
Collegare il riscaldatore a cartuccia a un'unità di alimentazione in corrente continua. Inserire termocoppie di tipo T negli otto fori equidistanti di un millimetro con profondità alternate di cinque millimetri e sette millimetri. Successivamente, collegarle al registratore di dati.
Inserire e fissare i rilevatori di temperatura a resistenza, un condensatore di riflusso e un riscaldatore ausiliario negli appositi alloggiamenti presenti sul coperchio superiore. Fissarli sopra la camera di ebollizione. Successivamente, versare 1,4 litri di acqua deionizzata nella camera di ebollizione a bagnomaria.
Collegare il condensatore a riflusso a una camera di raffreddamento mantenuta a cinque gradi Celsius. Prima dell'esperimento, far bollire vigorosamente l'acqua deionizzata nella camera di ebollizione a bagnomaria per 30 minuti utilizzando il riscaldatore ausiliario. Mantenere l'acqua deionizzata in condizioni di ebollizione satura utilizzando il riscaldatore ausiliario.
Successivamente, accendere l'alimentatore e applicare una corrente iniziale di 0,1 ampere. Nel frattempo, registrare la dinamica delle bolle per ciascun valore di potenza mediante una telecamera CCD posizionata di fronte alla camera per l'ebollizione in vasca e focalizzata sul provino. Dopo aver atteso due minuti per raggiungere lo stato stazionario, aumentare la corrente elettrica a incrementi di 0,3 ampere.
Registra la temperatura per ogni valore di potenza utilizzando il registratore di dati. Prosegui l'esperimento fino a quando non viene raggiunta una corrente massima di quattro ampere. Infine, esegui la riduzione dei dati come descritto nel protocollo testuale.
Qui sono mostrate le prestazioni di ebollizione in vasca di una superficie di rame liscia, di una superficie completamente superidrofila e di superfici ibride con diversi numeri di interlinee a orientamento zero gradi. È illustrato l'effetto delle varie superfici sulle curve di ebollizione in vasca, nonché la variazione del coefficiente di scambio termico, o HTC, in funzione del flusso termico. Le superfici con otto interlinee mostrano un HTC migliore rispetto alle altre superfici per un determinato flusso termico, mentre le superfici con due e quattro interlinee presentano un HTC quasi identico.
L'effetto dell'orientamento sulle curve di ebollizione in vasca di due superfici ibride con rivestimento intercalato, quattro superfici ibride con rivestimento intercalato e otto superfici ibride con rivestimento intercalato è mostrato. Lo spostamento verso sinistra delle curve di ebollizione in vasca si osserva per la superficie con due strati intercalati a zero gradi, per la superficie con quattro strati intercalati a 90 gradi e per la superficie con otto strati intercalati a 45 gradi. È inoltre mostrato l'effetto dell'orientamento sul coefficiente di scambio termico per due superfici ibride con rivestimento intercalato, quattro superfici ibride con rivestimento intercalato e otto superfici ibride con rivestimento intercalato.
HTC delle due superfici interlineate a zero gradi, delle quattro superfici interlineate a 90 gradi e delle otto superfici interlineate a 45 gradi mostrano i valori più elevati. Una volta padroneggiata questa tecnica, può essere eseguita in vari modi se viene effettuata correttamente. Per l'apprendimento di questa procedura, è possibile eseguire l'analisi del coefficiente di trasferimento di calore in ebollizione in vasca e della dinamica delle bolle per studiare l'effetto della variabilità ibrida sull'ebollizione in vasca.
Non dimenticare che lavorare con nanoparticelle e sostanze chimiche può essere pericoloso e che è sempre necessario adottare precauzioni, come indossare guanti e maschere, durante l'esecuzione di questa procedura.
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Panoramica
Questo studio analizza gli effetti di schemi bagnabili ibridi sul trasferimento di calore in ebollizione in vasca. L'attenzione è rivolta a come il numero e l'orientamento di questi schemi influenzino il coefficiente di scambio termico (HTC) e la dinamica delle bolle.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Trasferimento di calore
- Dinamica termica
- Meccanica dei fluidi
Sfondo
- Il trasferimento di calore per ebollizione in vasca è fondamentale per numerose applicazioni ingegneristiche.
- Le superfici bagnabili ibride possono migliorare le prestazioni di ebollizione.
- Comprendere la dinamica delle bolle è essenziale per ottimizzare il trasferimento di calore.
- Questo studio mira a chiarire il ruolo dei pattern superficiali nell'efficienza del trasferimento di calore.
Scopo dello studio
- Studiare l'impatto di schemi bagnabili assiali sul trasferimento di calore in ebollizione in vasca.
- Valutare come la variabilità ibrida influisca sul coefficiente di trasferimento di calore in ebollizione.
- Analizzare la dinamica delle bolle in relazione alle modifiche superficiali.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di un cilindro cavo in rame lucidato.
- Pulizia della superficie con acetone e acqua deionizzata.
- Riscaldamento del campione in una stufa a 120 gradi Celsius.
- Esecuzione di esperimenti di trasferimento di calore in ebollizione libera.
Risultati principali
- I modelli ibridi bagnabili influenzano in modo significativo il coefficiente di trasferimento di calore.
- L'orientamento dei modelli influisce sulla dinamica delle bolle durante l'ebollizione.
- Sono state ottenute misurazioni accurate del coefficiente di trasferimento di calore utilizzando le superfici modificate.
- I risultati contribuiscono alla comprensione dei meccanismi di trasferimento di calore in ebollizione.
Conclusioni
- I modelli ibridi bagnabili possono migliorare l'efficienza del trasferimento di calore in ebollizione in vasca.
- Le modifiche alla superficie svolgono un ruolo cruciale nella dinamica delle bolle.
- Sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare questi modelli per applicazioni pratiche.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo studio dimostra come i modelli di bagnabilità superficiale influenzino l'efficienza dell'ebollizione nucleata, offrendo un quadro meccanicistico per la progettazione di sistemi di gestione termica. Collegando modelli di bagnabilità ibrida a coefficienti di scambio termico migliorati e a una dinamica delle bolle controllata, il lavoro supporta la modellizzazione predittiva nello sviluppo delle tecnologie di raffreddamento. Queste intuizioni consentono ai team di ricerca e sviluppo di ridurre i rischi nella selezione dei materiali per l'interfaccia termica mediante l'ingegnerizzazione delle proprietà superficiali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Fornisce un sistema controllato per analizzare come la chimica superficiale moduli i fenomeni di cambiamento di fase, rilevanti per la stabilizzazione termica nei processi biotecnologici.
- Valore operativo: Consente una valutazione standardizzata del trasferimento di calore guidato dalla bagnabilità attraverso diverse varianti di materiali.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera letture quantitative del coefficiente di trasferimento di calore che si correlano alla densità di nucleazione delle bolle e alla frequenza di distacco.
- Valore operativo: Consente lo screening di tipo saggio per il confronto delle prestazioni termiche di trattamenti superficiali in condizioni di ebollizione controllate.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Stabilisce un modello di sistema termico rilevante per le malattie in cui il trasferimento di calore con pattern superficiale imita le sfide del raffreddamento del bioreattore o della criopreservazione.
- Valore operativo: Favorisce una continuità traslazionale dallo screening dei materiali ai test preclinici di stress termico.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo posiziona la caratterizzazione superficiale come uno strumento di scoperta precoce che orienta le decisioni relative alla gestione termica nei processi successivi alla progettazione di attrezzature per bioprocessi.
- Biologia della scoperta: Permette la verifica di ipotesi su come i modelli di idrofilicità/idrofobicità della superficie influenzino la stabilità dell'interfaccia vapore-liquido durante l'ebollizione.
- Screening: Fornisce misurazioni riproducibili del coefficiente di scambio termico (HTC) che consentono di classificare le configurazioni bagnabili ibride in base all'efficienza termica.
- Analisi: Fornisce dati sulla dinamica delle bolle mediante imaging CCD come lettura funzionale dell'intensità dell'ebollizione nucleata.
- Ricerca traslazionale: Collega cilindri di rame con superficie modificata a soluzioni termiche scalabili per il controllo della temperatura nei bioreattori.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma per la valutazione dei modelli di bagnabilità su diverse geometrie cilindriche nei sistemi termici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nel trasferimento di calore in ebollizione isolando gli effetti dei modelli di bagnabilità sul coefficiente di scambio termico (HTC).
- Valore operativo: Fornisce una preparazione standardizzata e scalabile delle superfici mediante rivestimento per immersione e mascheratura, per test riproducibili delle prestazioni termiche.
- Valore strategico: Consente una selezione efficiente in termini di capitale dei trattamenti superficiali prima dell'integrazione in sistemi termici su larga scala.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione corretta rispetto al rischio dei componenti con superficie modificata, basata su incrementi di HTC validati sperimentalmente.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nel rivestimento superficiale, nelle tecniche di mascheratura e nell'allestimento sperimentale termo-fluidodinamico.
- Necessita di un apparato per la deposizione per immersione, di un forno per la polimerizzazione e di una camera per ebollizione in piscina con controllo preciso della temperatura.
- Richiede una standardizzazione congiunta tra i gruppi di lavoro per il numero di linee, l'orientamento e lo spessore del rivestimento al fine di ottenere risultati riproducibili.
- Comporta considerazioni di adattamento nel trasferire i pattern dal rame ad altri materiali termicamente conduttivi.
- È limitato dalla necessità di manipolazione di materiali pericolosi (nanoparticelle, acidi) e da un accurato allestimento per l'analisi della dinamica delle bolle.
