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방법 논문

하이브리드 수화제 패턴과 원통 표면에 풀 비등 열전달 향상

8.5K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/55387

⸱

2017년 4월 10일

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

풀 비등 열전달 실험 열 전달 계수 (HTC)의 혼합 수화제 패턴의 영향을 관찰하기 위해 수행되었다. 조사의 매개 변수는 interlines 수 및 습윤 표면 개질의 패턴 방향이다.

초록

본 연구에서는 인터라인의 수와 하이브리드 습윤 패턴의 방향에 따른 영향을 조사하기 위해 풀 비등 열전달 실험을 수행했습니다. 하이브리드 습윤 패턴은 마스킹된 소수성 원통형 구리 표면에 초친수성 SiO2를 코팅하여 생성되었습니다. 탈이온수(DI)를 작동 유체로 사용하여 직경 25mm와 길이 40mm의 다양한 표면 처리된 구리 실린더에 대해 수영장 끓는 열 전달 연구를 수행했습니다. 실험 결과는 인터라인의 수와 하이브리드 습윤성 패턴의 방향이 벽 과열도와 HTC에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 인터라인의 수를 증가시킴으로써, HTC는 평지와 비교했을 때 향상되었습니다. CCD(charge-coupled device) 카메라에서 얻은 이미지는 다른 부품에 비해 인터라인에 더 많은 기포가 형성되었음을 나타냅니다. 가장 낮은 부분이 소수성인 하이브리드 습식 패턴은 최상의 열전달 계수(HTC)를 제공했습니다. 실험 결과는 표면의 기포 역학이 핵 끓는 것을 결정하는 중요한 요소임을 나타냅니다.

서론

10-10을 5 W의 범위 인 냉각 제공 고열 플럭스 시스템 유지 / cm 2 전자 방위, 항공 및 핵 발전의 새로운 분야에서 요구된다. 종래의 냉각 공기로 인해 자유 - 강제 대류 조건 모두 낮은 열 전달 계수 (HTC) 이러한 애플리케이션에 충분하다. 1000 W / cm 2 - 1과 같은 풀비 같은 상 변화 계 냉각 기술은 끓는 흐름 (10)의 순서로 높은 열유속 제거에 충분하다. 2 상 열전달 과정이 등온 때문에, 냉각 장치의 온도는, 그 표면 위에 거의 일정하다. 인해 표면을 따른 온도의 변화를 무시할 수있는 장치의 열충격이 제거 될 수있다. 그러나, 열전달 끓는 주요 파라미터는 제한 온도에서 2 이상 상승을 일으키는 임계 열유속 (CHF)은 인 .

지난 수십 년간, 광범위한 연구가 표면 개질, 나노 유체, 및 표면 코팅 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11을 사용하여 CHF를 개선하기 위해 수행되었다. 여러 가지 방법 중에서, 표면 코팅으로 인해 표면적의 상당한 증가에 CHF을 개선하는 가장 좋은 방법으로 발견된다. 표면 코팅은 일반적으로 핀 작용 효과 다공성 및 표면 습윤성 (12)에 의한 열 전달을 증가시킨다. 표면의 젖음성은 열 전달 비등에 중요한 역할을한다. 이전의 연구는 낮은 열유속 조건에서, 소수성 표면으로 인해 초기 핵으로 더 HTC 표시되는지 보여준다. 그러나,에높은 열유속은, 형성된 기포의 분리로 인해 표면을 향해 물 낮은 친화력으로 느리다. 이 기포 합체 리드와 하부 CHF 3 초래한다. 한편, 친수성 표면으로 인해 형성된 기포의 고속 박리, 높은 CHF를 생성하지만 인해 기포 핵 (13)의 지연, 낮은 열 플럭스로 하부 HTC를 준다.

하이브리드 구조로 인해 소수성 및 친수성 (14), (15, 16)의 결합 효과에 대한 모든 열 플럭스 열전달 비등 현저한 향상을 보여준다. 슈는 등. 초 친수성 실리콘 코팅하여 제조 된 이종 습윤 표면을 마스크 표면에 구리 나노 입자. 그들은 코팅 시간을 변경하여 다른 젖음성 비율을 달성했다. 비등 개시는 H에 비해 불균일 표면에 발생 이전실질적으로 감소 omogeneous 벽 표면 (17)을 과열. 조 등. 친수성, 소수성, 이종 습윤면에 핵 비등 열전달 연구를 수행 하였다. 균질 습윤 표면은 친수성 표면 소수성 도트 패턴으로 구성 하였다. 그들은 높은 HTCs 및 친수성 표면에 비해 이종의 표면 같은 CHF를 얻었다. 열전달 비등 향상 직접 표면 및 끓는 조건에 따라 18 점의 개수에 의존한다.

본 연구에서는 축 하이브리드 습윤성 패턴은 딥 코팅 기술을 이용하여 원통형의 구리 표면 상에 제작 하였다. 풀 비등 열전달 연구 interlines 수의 하이브리드 습윤성 패턴의 배향의 영향을 결정하기 위해 수행되었다. 끓는 열유속, HTC, 거품 역학은 모두 코팅 기판 우리 분석 하였다구리 기판과 비교 재.

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프로토콜

수정 된 표면의 제조 1

  1. 수동 # 2000 에머리를 사용하여 15 분 동안 시험편 (중공 구리 실린더 40 mm의 길이 (l), 25 mm의 외경 (d 오)로하고, 18 mm의 내경 (d의 Ⅰ)) 연마 종이. DI 물 다음 아세톤으로 세척하여 광택 표면을 청소합니다.
  2. 120 ℃의 일정 온도에서 2 시간 동안 오븐에서 연마 된 시험편을 놓는다.
  3. 다음 단계를 사용하여 초 친수성의 SiO2 나노 입자 용액을 준비합니다.
    1. 테트라에 톡시 실란 및 DI 워터의 몰비 4 : 1을 혼합하여 용액 A를 준비한다. 37 %의 2 방울을 A 액에 염산을 농축하고, 2 시간 동안 교반 추가.
    2. 에탄올 및 DI 물의 몰비 3 : 1 혼합하여 용액 B를 만든다.
    3. 용액 B의 80 mL의 A 액 1 ㎖를 혼합하고 2 시간 동안 교반한다.
    4. 준비된 SOLU에의 SiO2 나노 입자 (40 나노 미터 직경) 32 g을 넣고1 시간 동안 기 저어.
  4. 5mm / min의 속도로 딥 코팅 장치를 이용하여 제조 한 용액에 시편을 담근다. 1 시간 동안 120 ℃의 오븐에서 코팅 된 시편을 유지.
  5. 다음 단계를 사용하여 (도 1 참조)의 축 방향을 따라 서로 다른 방향으로 2, 4, 8 환승 할 하이브리드 패턴을 준비한다.
    1. 중심과 초 친수성 영역에 도포되는 (영역) 상에 interlines을 조정 영역을 마스크 0 ° 방향에서의 2 인터 표면에 적절한 방향 (함께 interlines 필요한 수에 따른 절연 테이프를 사용하여 코팅되지하도록 상측. 한편, 90 ° 방향에 대해, 아래쪽 상단과 다른 하나 인터을 조정하고 180 ° 방향에 대해, 초 친수성 아래쪽 영역 및 중앙의 interlines을 조정한다. 유사하게, 조정 다른 출력과 4, 8 개면의 위치 환승 할rientation로서도 1에 도시).
    2. 5mm / 분의 느린 속도에서 높은 핑 속도 및 상승에 침지 코팅 장치, 딥을 이용하여 제조 된 용액에 마스크 시험편을 담근다. 1 시간 동안 120 ℃의 오븐에서 코팅 된 시편을 유지.
    3. 올바른 방향으로 interlines 필요한 수를 얻기 위해 마스킹 영역에서 절연 테이프를 분리.

figure-protocol-1
도 1 다양 환승 할 표면의 선택. 다른 방향으로 다양한 환승 할 표면 (a) 회로도. 모든 조건에서 1 : 일반 구리 표면과 초 친수성 표면의 면적의 비는 1이다. (b) 방향 선택 기준. (c) 2 인터 0 ° 각도로 배향 된 표면의 투시도. 오리엔테이션 기준선과 코팅 사이의 각도로서 선택된다중앙 상부 측으로부터 제 친수성 패턴의 라인과는 시계 방향으로 측정된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 실험 절차

  1. 절연 테이프를 사용하여 피복 된 시험편의 각각의 원형베이스에 한 유리관을 고정한다.
  2. interlines의 필요한 위치에 따른 실리콘 페이스트를 이용하여 (도 2에 도시 된 바와 같이) 가로 140- 140- X X 160 mm 챔버에이 어셈블리를 고정한다.
  3. 550 W, 18 mm 직경, 및 시험편의 구멍에 둘레 영역 열 페이스트의 박막을 40 mm 길이의 카트리지 히터를 배치했다.
  4. 직류 (DC) 전원 공급 장치에 카트리지 히터를 연결한다.
  5. 도 5와 같이 mm, 7 mm의 깊이가 다른 8 개의 등 간격 1 mm 구멍에 배치 T 형 열전대3 데이터 로거에 연결합니다.
  6. 상부 커버에 형성된 공간에 (RTD), 환류 ​​응축기 및 보조 히터를 삽입하고 저항 온도 검출기를 고정한다. 끓는 실 이상을 수정합니다.
  7. 풀 비등 챔버로 DI 물 1,400 mL로 채 웁니다.
  8. 5 ℃에서 유지되는 냉각 실에 환류 응축기를 연결한다.
  9. 실험 전에 격렬하게 보조 히터를 사용하여 30 분 동안 풀 비등 챔버의 DI 물을 끓인다.
  10. 상기 보조 히터를 사용하여 포화 비등 상태에서 DI 워터를 유지. 이어서, 전원을 켜고 0.1 A. 초기 전류를 제공
  11. 정상 상태에 도달하기 위해 2 분 기다립니다. 이어서, 0.3 A. 단위로 전류를 증가
  12. 데이터 로거를 사용하여 각각의 입력 전력에서의 온도를 기록한다. 4 (A)의 최대 전류에 도달 할 때까지 실험을 계속합니다. 한편, 기포의 강약을 기록 또는 CCD 카메라를 이용하여 각각의 전원 입력 시험편에 집중 풀 비등 실의 전방에 배치.

figure-protocol-2
풀 비등 회의소 그림 2. 도식. 유리 튜브는 실리콘 페이스트 중공 구리 실린더의 양측에 접속된다. 이것은 실리콘 페이스트 풀 비등 실에 고정되어있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-protocol-3
3. 열전대 위치를 그림. 8 열전대의 직경이 20mm의 시험편 대신 원주 1 개 mm 직경의 구멍 안에 위치한다. 다른 직경 1mm의 구멍의 깊이가 각각 5mm 7mm로 고정된다./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg "target ="_ blank "> 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 데이터 감소

  1. 다음 수학 식 19을 이용하여 입 열량 (Q)을 계산
    Q = I V (1)
    주 : I 및 V는 각각 A의 입력 전류 및 볼트 단위의 전압이다.
  2. 식 (19)를 사용하여 양측면으로부터 열 손실 (Q 손실)를 추정 :
    figure-protocol-4 (2)
    주 : K 구리의 열전도율이고; T 및 T 7mm 5mm가 7mm 각각 5mm, 깊이에서의 온도의 평균 값이고; ΔX (2 mM)을 깊이 사이의 차이이고; 과
    figure-protocol-5 테스트 (p)의 단면적은 IECE.
  3. 하기 식 (19)을 사용하여 (Q '를') 열유속를 결정
    figure-protocol-6 (삼)
    주 : A = π (D)의 입출력 L은 시편의 원주 영역이다.
  4. 다음 식 (19)를 사용하여 벽면 과열을 (계산 :
    figure-protocol-7 (4)
    주 : T의 m은 T 7mm 및 T 5mm의 평균 인 상기의 시험편 (R)의 출력 (12.5 mm) 시험편의 외 반경 (R)의 m (10mm) 시험편의 반경의 길이는 도 4에 도시 된 바와 같이 구멍을 측정하고, T가 앉아서하는 DI 워터의 포화 온도이다.
  5. 하기 식 (19)를 사용하여 HTC (α)을 계산한다 :
    PLOAD / 55,387 / 55387eq5.jpg "/> (5)

figure-protocol-8
벽 온도 분석 그림 4. 회로도. 벽 온도는 측정 된 평균 온도 및 공지 원통형 열 저항을 사용하여 계산된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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결과

풀 비등 열전달 실험 개략도,도 5에 도시 된 실험 구성을 사용하여 하이브리드 습윤성 원통면에서 수행 하였다. interlines의 수와 풀 비등 성능 하이브리드 습윤성 패턴의 배향의 영향을 조사하면서 풀 비등 실험 절차는 프로토콜 부분의 2 단계에서 설명을 성공적으로 수행 하였다. 벽 과열 대 열유속 열유속 대 HTC : 다른 처리 표면의 풀 비등 공연 그래프의 관점에서 나타내었다.

다음 equati에 도시 된 바와 같이 실험 장치를 검증하기 위해서, 보통 구리 표면의 열전달 실험 결과 비등 풀은 1994 년 20 콘웰 휴스턴 예측 이론적 상관 관계를 비교 하였다에:

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토론

이 조사의 주요 목표는 프로토콜 섹션에 설명된 대로 하이브리드 습윤성 표면을 도입하여 원자로, 보일러 및 히트 파이프와 같은 고열 방출 응용 분야를 위한 수영장 끓는 방열판을 개발하는 것이었습니다. 이러한 표면은 균질한 습윤성 표면(친수성 및 소수성)보다 더 나은 수영장 끓는 성능을 생성할 수 있습니다. 끓는 열 전달 성능의 향상은 활성 핵 형성 부위의 증가와 형성된 기포가 표면에서 쉽게 분리되기 때문입니다. 본 연구에서는 인터라인의 수와 하이브리드 습윤성 패턴의 방향이 수영장 끓는 성능에 미치는 영향을 고려했습니다. 최대 인터라인 수는 사용된 수동 준비 방법으로 인해 8개로 제한되었습니다. 인터라인의 정확한 위치 지정은 위치가 약간 잘못되면 잘못된 결과가 발생할 수 있으므로 모든 실험에 매우 중요합니다. 또한 최대 인가 입력 전류는 카트리지 히터의 수명에 중요한 역할을 합니다. 이 연구에서는 안전을 위해 최대 입력 전류를 4A로 제한합니다. 이러한 제한으로 인해 수영장 끓는 열 전달 연구는 더 낮은 열유속 조건에 대해서만 수행...

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공개 사항

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

저자는 과학기술부(프로젝트 번호: 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, MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3)의 자금 지원에 감사를 표합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
탈 이온수
실리카 나노 분말, 40 nmUniRegion Bio-Tech60676860
에탄올ECHO Chemical co., Ltd., 64175
염산SHOWA Chemical co., Ltd.
테트라에톡시실란SHOWA Chemical co., Ltd.78104
아세톤UNI-ONWARD CORP.67641
카트리지 히터정 순 히터 & 공급자:Instrument Co, Ltd.
파이렉스 유리 자동차 유리 서비스, 대만
일반 강화 유리자동차 유리 서비스, 대만
열 페이스트전해 윤활EG-30 
절연 테이프Chuan Chi Trading Co., LtdKapton 테이프
SandpaperChuan Chi Trading Co., Ltd#2000
가열로Chung ChuanHong Sen HS-101
전자 저울A& 디코. LtdGX400
초음파 세척기Bransonic Bransonic3510
자석 교반기옐로우 라인MST D S1
데이터 로거 YokogawaMX-100
CCD 카메라JVCLY35862-001A
실리콘 페이스트Permatex599BR
전원 공급 장치GwinstekGPR-20H50D
테플론 테이프 Chuan Chi Trading Co. LtdCS170000
접촉각 고니오미터Sindatek모델 100SB
보조 히터Chuan Chi Trading Co. Ltd
T형 열전대Chuan Chi Trading Co. Ltd
역류 콘덴서 Chuan Chi Trading Co. Ltd
섬유 유리전문 플라스틱, 대만
7647010

참고문헌

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