-Pool kookpunt warmtegeleidende experimenten werden uitgevoerd om de effecten van hybride bevochtigbare patronen op de warmte-overdrachtscoëfficiënt (HTC) neemt. De parameters analysemethoden zijn het aantal en de tussenlijnen patroon oriëntatie van het gemodificeerde bevochtigbaar oppervlak.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Pool-Boiling Heat-Transfer Enhancement op cilindrische oppervlakken met Hybrid Bevochtigbare Patterns
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
In deze studie werden pool-boiling warmteoverdrachtsexperimenten uitgevoerd om het effect van het aantal interlines en de oriëntatie van het hybride bevochtige patroon te onderzoeken. Hybride bevochtige patronen werden geproduceerd door superhydrofiele SiO2 te coaten op een gemaskerde, hydrofobe, cilindrische koperen oppervlak. Met behulp van gedeïoniseerd (DI) water als werkvloeistof, werden pool-boiling warmteoverdrachtsstudies uitgevoerd op de verschillende oppervlaktebehandelde koperen cilinders met een diameter van 25 mm en een lengte van 40 mm. De experimentele resultaten toonden aan dat het aantal interlines en de oriëntatie van het hybride bevochtige patroon de wandsuperheat en de HTC beïnvloedden. Door het aantal interlines te verhogen, werd de HTC verbeterd in vergelijking met het effen oppervlak. Beelden verkregen van de charge-coupled device (CCD) camera gaven aan dat zich meer bubbels vormden op de interlines in vergelijking met andere delen. Het hybride bevochtige patroon met de onderste sectie hydrofoob gaf de beste warmteoverdrachtscoëfficiënt (HTC). De experimentele resultaten gaven aan dat de bubbeltjesdynamiek van het oppervlak een belangrijke factor is die de nucleaire kook bepaalt.
Inleiding
Een hoge warmteflux onderhoudende systeem dat koeling in het traject van 10-10 mei W / cm2 vereist in de opkomende gebied van elektronica, defensie, elektronische en ontwikkeling kernkop. Conventionele koeling met lucht is voldoende voor deze toepassingen vanwege de lage warmtegeleidingscoëfficiënt (HTC) zowel free- en gedwongen convectie omstandigheden. De faseverandering gebaseerde koeltechnieken zoals zwembad koken en flow koken goed genoeg zijn om hoge warmtefluxen te verwijderen in de orde van 10 - 1000 W / cm2 1. Aangezien het tweefasige warmtetransportproces is isotherm, het koelen in inrichting nagenoeg constant over het oppervlak. Vanwege de verwaarloosbare variatie van de temperatuur langs het oppervlak, kan de thermische schok van de inrichting worden verwijderd. Echter, de belangrijke beperkende parameter in kokende warmteoverdracht is de kritische warmteflux (CHF), dat een abnormale temperatuurstijging 2 oorzaken .
In de afgelopen decennia heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar de CHF verbeteren door oppervlaktemodificatie, nanovloeistoffen en oppervlaktecoatings 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Van de verschillende werkwijzen worden oppervlaktebekledingen gevonden dat de beste methode om de CHF te verbeteren door de aanzienlijke toename van het oppervlak. Oppervlaktecoatings algemeen toe de warmteoverdracht door vin optreden porositeit effecten en bevochtigbaarheid van het oppervlak 12. Bevochtigbaarheid van het oppervlak speelt een belangrijke rol in kokend warmte-overdracht. Eerdere studies tonen aan dat bij lagere warmte-flux omstandigheden, het hydrofobe oppervlak toont betere HTC vanwege de vroegtijdige kiemvorming. Echter, ophogere warmteflux, het losmaken van de gevormde bellen traag vanwege de lage affiniteit van water naar het oppervlak. Dit leidt tot bellencoalescentie en resulteert in een lagere CHF 3. Anderzijds, een hydrofiel oppervlak vormt een hogere CHF, vanwege de snelle loslating van de gevormde bellen, maar het geeft een lagere HTC bij warmtestromen laag, als gevolg van de vertraging bij kiemvorming 13.
De hybride structuren vertonen een opmerkelijke verbetering in kokend koelmiddelen voor alle warmtestromen door het gecombineerde effect van hydrofobiciteit en hydrofiliciteit 14, 15, 16. Hsu et al. geproduceerd heterogene bevochtigbaar oppervlak door bekleding superhydrofiel Si nanodeeltjes op een gemaskeerde koperoppervlak. Zij bereikten verschillende bevochtigbaarheid verhoudingen door verandering van de coating tijd. Het begin van koken opgetreden eerder de heterogene oppervlakken ten opzichte van de homogeneous oppervlak, waarbij de wand aanzienlijk verminderd oververhitting 17. Jo et al. uitgevoerd kiemkoken warmtegeleidende studies hydrofiel, hydrofoob en heterogene bevochtigen oppervlakken. Het heterogene bevochtigingsoppervlaktespanning bestond uit hydrofobe patroon stippen op het hydrofiele oppervlak. Ze kregen hoger HTC's en dezelfde CHF voor de heterogene oppervlak ten opzichte van het hydrofiele oppervlak. Een verbetering in kokende warmteoverdracht direct afhankelijk van het aantal ogen op het oppervlak van de kokende omstandigheden 18.
In deze studie werden axiale hybride bevochtigbare patronen geproduceerd op een cilindrische koperoppervlak met de dip bekledingstechniek. -Pool kookpunt warmtegeleidende studies werden uitgevoerd om de effecten van het aantal interlining en de oriëntatie van de hybride bevochtigbare figuur bepalen. Koken warmteflux, HTC en beldynamica werden geanalyseerd op alle beklede substraten en weopnieuw tegenover de kopersubstraat.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Bereiding van de Modified Surfaces
- Manueel polijsten het proefstuk (holle koperen cilinder met 40 mm lengte (L), een 25 mm buitendiameter (Do) en een 18-mm binnendiameter (di)) gedurende 15 min met een # 2000 emery papier. Reinig het gepolijste oppervlak door het te spoelen met aceton, gevolgd door DI water.
- Leg de gepolijste proefstuk in een oven gedurende 2 uur bij een constante temperatuur van 120 ° C.
- Bereid een superhydrofiel SiO2 nanodeeltjes oplossing met de volgende stappen.
- Een oplossing bereid door 1: 4 molaire verhoudingen van tetraethoxysilaan en DI-water. 2 druppels 37% geconcentreerde HCl tot oplossing A en roer 2 uur.
- Maak oplossing B door mengen van een 1: 3 molaire verhouding van ethanol en gedeïoniseerd water.
- Meng 1 ml oplossing A 80 ml oplossing B en roer gedurende 2 uur.
- Voeg 32 g SiO2 nanodeeltjes (40 nm diameter) op de bereide oplostie en roer gedurende 1 uur.
- Dompel het proefstuk in de bereide oplossing met behulp van de dip-bekledingsinrichting met een snelheid van 5 mm / min. Bewaar de gecoate proefstuk in een oven bij 120 ° C gedurende 1 uur.
- Bereid 2, 4 en 8 interlined hybride patronen met verschillende oriëntaties langs de axiale richting (zie figuur 1) met de volgende stappen.
- Masker het te onbekleed met de isolatieband volgens de vereiste aantal tussenlijnen met de juiste oriëntatie (Voor 2-interline oppervlak op een 0 ° oriëntatie aanpassen tussenlijnen in het midden en het superhydrofiel gebied (te behandelen oppervlak) van de bovenzijde. aan de andere kant, de 90 ° richting, passen een interline aan de bovenzijde en een aan de onderzijde en in de 180 ° richting, passen superhydrofiel gebied aan de onderkant en de tussenlijnen in het midden., wijzigt de positie van 4, 8 interlined oppervlakken met verschillende oRIENTATION zie figuur 1).
- Dompel het gemaskeerde proefstuk in de bereide oplossing met behulp van een dip-bekledingsinrichting, dip met een hoge snelheid en dompelen stijging bij een langzame snelheid van 5 mm / min. Bewaar de gecoate proefstuk in een oven bij 120 ° C gedurende 1 uur.
- Verwijder de isolatie tape van het gemaskeerde gebied om het vereiste aantal tussenlijnen te verkrijgen met de juiste oriëntatie.
Figuur 1. Selectie van Various interlined Surfaces. (a) Schematische voorstelling van verscheidene interlined oppervlakken met verschillende oriëntaties. De oppervlakteverhouding van een gewone koperen oppervlak en een oppervlak superhydrofiel 1: 1 in alle omstandigheden. (b) Geaardheid selectiecriteria. (c) isometrisch aanzicht van de 2 interline 0 ° hoek georiënteerd oppervlak. Oriëntatie wordt geselecteerd als de hoek tussen de basislijn en bekledinghartlijn van de eerste hydrofiele patroon vanaf de bovenzijde en wordt gemeten met de klok mee. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
2. Experimentele procedure
- Met de isolatieband, vast een glazen buis bij elke cirkelvormige basis van de beklede proefstuk.
- Horizontaal bevestigen dit samenstel aan de x 140- 140- x 160 mm kamer (zie figuur 2) via siliconen pasta volgens de gewenste positie van interlining.
- Plaats een 550-W, 18-mm diameter en 40 mm lang verwarmingspatroon met een dunne film thermische pasta op het omtreksgebied in het gat van het proefstuk.
- Sluit het verwarmingspatroon een gelijkstroom (DC) voeding.
- Place T-type thermokoppels in de 8 op gelijke afstand van 1 mm gaten, met afwisselend een diepte van 5 mm en 7 mm zoals getoond in figuur3 Sluit ze aan de datalogger.
- Invoegen en bevestigen weerstandstemperatuurdetectors (RTD), een terugvloeikoeler en een bijverwarming in onderaan op het bovendeksel. Bevestig ze over de kookkamer.
- Vul 1400 ml DI-water in het zwembad kookkamer.
- Sluit de terugvloeikoeler met een koelkamer die bij 5 ° C wordt gehouden.
- Voor het experiment, heftig koken DI water in het zwembad kookkamer 30 min met behulp van de bijverwarming.
- Houd de DI water aan het kokende verzadigde toestand met de bijverwarming. Vervolgens schakelt de voeding en geeft een eerste stroom van 0,1 A.
- Wacht 2 min teneinde een stabiele toestand te bereiken. Vervolgens verhoging van de elektrische stroom met stappen van 0,3 A.
- Noteer de temperatuur bij elke vermogen via de datalogger. Voortzetting van het experiment tot een maximale stroom van 4 A is bereikt. Ondertussen nemen de beldynamica f of elke vermogen met behulp van een CCD-camera geplaatst voor het zwembad stoomkamer, die gericht is op het proefstuk.
Figuur 2. Schematische voorstelling van de Pool kookpunt Kamer. Glazen buizen zijn verbonden met beide kanten van de holle cilinder met koperen siliconenkit. Deze is bevestigd aan het zwembad kookkamer met siliconenkit. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3. Thermokoppel positionering. 8 thermokoppels binnenin de gaten 1 mm omtrek in het proefstuk plaats geplaatst bij een diameter van 20 mm. De diepte van afwisselende openingen 1 mm diameter vastgesteld op 5 mm en 7 mm resp./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
3. Gegevens Reduction
- Bereken de warmte-invoer (Q) met behulp van de volgende vergelijking 19
Q = V I (1)
OPMERKING: I en V zijn de ingangsstroom ampère en de spanning in volt respectievelijk. - Schatten het warmteverlies (Q verlies) van de twee zijvlakken met de formule 19:
(2)
OPMERKING: k de thermische geleidbaarheid van koper; T7 en T5 mm mm zijn de gemiddelde waarden van de temperatuur op een diepte van 7 mm en 5 mm, respectievelijk; Ax (2 mm) is het verschil tussen de diepte; en
het dwarsdoorsnedeoppervlak van de test p IECE. - Bepaal de warmteflux (q '') met de volgende formule 19:
(3)
OPMERKING: A = π d ol is het omtrekgebied van het proefstuk. - Bereken de wand oververhitting (met de volgende vergelijking 19:
(4)
OPMERKING: Tm is de gemiddelde T7 mm en T5 mm, de lengte van het proefstuk, ro (12,5 mm) buitenstraal van het proefstuk, r m (10 mm) straal van het proefstuk op het meten gaten en T zat de verzadigingstemperatuur DI water zoals weergegeven in figuur 4. - Bereken de HTC (α) volgens de formule 19:
ploaden / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)
Figuur 4. Schematische voorstelling van wandtemperatuur Analysis. Wandtemperatuur wordt berekend met de gemeten gemiddelde temperatuur en bekende cilindrische thermische weerstand. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
-Pool kookpunt warmtegeleidende experimenten werden uitgevoerd op een hybride bevochtigbaar cilindrisch oppervlak volgens de experimentele opstelling waarvan schematisch is weergegeven in figuur 5. Het zwembad kokende experimentele procedure beschreven in stap 2 van de sectie protocol werd met succes uitgevoerd terwijl onderzoeken van het effect van het aantal interlining en de oriëntatie van de hybride bevochtigbare patroon op het zwembad kokende prestaties. Het zwembad...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het hoofddoel van dit onderzoek was om een pool-boiling warmtedraagvlak te ontwikkelen voor toepassingen met hoge warmteafvoer, zoals kernreactoren, ketels en warmteleiders, door de introductie van een hybride bevochtige oppervlak, zoals beschreven in de protocolsectie. Deze oppervlakken kunnen betere pool-boiling prestaties leveren dan homogene bevochtige oppervlakken (hydrofiel en hydrofoob). De verbetering in de warmteoverdrachtprestaties door middel van het koken is te danken aan een toename van actieve nucleatieplaa...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.
Dankbetuigingen
De auteurs danken de financiering van het Ministerie van Wetenschap en Technologie, MOST (projectnummers: 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 en MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 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 |
Referenties
- Putsch, G. Thermal challenges in the next generation of supercomputers. Proc. CoolCon MEECC Conference. , 1-83 (2005).
- 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).
- Barber, J., Brutin, D., Tadrist, L. A review on boiling heat transfer enhancement with nanofluids. Nanoscale Res. Lett. 6 (1), 280(2011).
- 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).
- Berenson, P. J. Experiments on pool-boiling heat transfer. Int. J. Heat Mass Transfer. 5 (10), 985-999 (1962).
- 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).
- 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).
- Trisaksri, V., Wongwises, S. Critical review of heat transfer characteristics of nanofluids. Renew. Sust. Energy Rev. 11 (3), 512-523 (2007).
- Trisaksri, V., Wongwises, S. Nucleate Pool Boiling Heat Transfer of TiO2-R141b nanofluids. Int. J. Heat Mass Transfer. 52 (5-6), 1582-1588 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Takata, Y., Hidaka, S., Uraguchi, T. Boiling feature on a super water-repellent surface. Heat Transfer Eng. 27 (8), 25-30 (2006).
- Takata, Y., Hidaka, S., Masuda, M., Ito, T. Pool boiling on a super hydrophilic surface. Int. J. Energy Res. 27 (2), 111-119 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Holman, J. P. Experimental Methods for Engineers. , 7th ed, Tata McGraw Hill Education Private Limited. (2007).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
