Eksperymenty z wymianą ciepła w basenie zostały przeprowadzone, aby zaobserwować wpływ hybrydowych wzorców zwilżalnych stołów na współczynnik wymiany ciepła (HTC). Parametrami badania są liczba interlinii oraz orientacja wzoru zmodyfikowanej powierzchni zwilżalnej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Poprawa wymiany ciepła we wrzeniu w basenie na powierzchniach cylindrycznych dzięki hybrydowym wzorom zwilżalnym
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
W tym badaniu, przeprowadzono eksperymenty z wymianą ciepła w basenie, aby zbadać wpływ liczby linii międzyliniowych i orientacji hybrydowego wzoru stołu zwilżalnego. Hybrydowe wzory zwilżalne uzyskano poprzez powlekanie superhydrofilowego SiO2 na zamaskowanej, hydrofobowej, cylindrycznej powierzchni miedzi. Wykorzystując wodę dejonizowaną (DI) jako płyn roboczy, przeprowadzono badania wymiany ciepła we wrzeniu basenowym na różnych miedzianych cylindrach poddanych obróbce powierzchniowej o średnicy 25 mm i długości 40 mm. Wyniki eksperymentów wykazały, że liczba linii międzyliniowych i orientacja hybrydowego wzoru zwilżalnego miały wpływ na przegrzanie ściany i HTC. Zwiększając liczbę interlinii, HTC został ulepszony w porównaniu z powierzchnią zwykłą. Obrazy uzyskane z kamery CCD (Charge-coupled Device) wskazują, że na interliniach tworzy się więcej pęcherzyków w porównaniu z innymi częściami. Hybrydowy wzór zwilżalny, w którym najniższa sekcja jest hydrofobowa, dał najlepszy współczynnik przenikania ciepła (HTC). Wyniki eksperymentów wskazują, że dynamika pęcherzyków na powierzchni jest ważnym czynnikiem decydującym o wrzeniu jądrów.
Wprowadzenie
System podtrzymujący strumień ciepła o wysokim strumieniu ciepła, zapewniający chłodzenie w zakresie 10-105 W/cm2 jest wymagany w rozwijających się dziedzinach elektroniki, obrony, awioniki i rozwoju urządzeń jądrowych. Konwencjonalne chłodzenie powietrzem jest niewystarczające do tych zastosowań ze względu na niski współczynnik przenikania ciepła (HTC) zarówno w warunkach konwekcji swobodnej, jak i wymuszonej. Techniki chłodzenia oparte na przemianie fazy, takie jak gotowanie w basenie i gotowanie przepływowe, są wystarczająco dobre, aby usunąć wysokie strumienie ciepła rzędu 10 - 1,000 W/cm2 1. Ponieważ dwufazowy proces wymiany ciepła jest izotermiczny, temperatura chłodzonego urządzenia jest prawie stała na jego powierzchni. Ze względu na znikomą zmienność temperatury wzdłuż powierzchni można wyeliminować szok termiczny urządzenia. Jednak głównym parametrem ograniczającym wymianę ciepła we wrzeniu jest krytyczny strumień ciepła (CHF), który powoduje nieprawidłowy wzrost temperatury2.
W ciągu ostatnich kilku dekad przeprowadzono szeroko zakrojone badania mające na celu ulepszenie CHF za pomocą modyfikacji powierzchni, nanofluidów i powłok powierzchniowych3,4,5,6,7,8,9,10,11. Spośród różnych metod, powłoki powierzchniowe są uważane za najlepszą metodę poprawy CHF ze względu na znaczny wzrost powierzchni. Powłoki powierzchniowe zazwyczaj zwiększają wymianę ciepła poprzez działanie żeber, efekty porowatości i zwilżalność powierzchni12. Zwilżalność powierzchni odgrywa znaczącą rolę w wymianie ciepła podczas gotowania. Wcześniejsze badania pokazują, że w warunkach niższego strumienia ciepła hydrofobowa powierzchnia wykazuje lepsze HTC ze względu na wczesne zarodkowanie. Jednak przy wyższym strumieniu ciepła odklejanie się powstałych pęcherzyków jest powolne ze względu na niskie powinowactwo wody do powierzchni. Prowadzi to do koalescencji pęcherzyków i skutkuje niższym CHF3. Z drugiej strony, powierzchnia hydrofilowa wytwarza wyższy CHF, ze względu na szybkie odrywanie się utworzonych pęcherzyków, ale daje niższy HTC przy niskich strumieniach ciepła, ze względu na opóźnienie zarodkowania pęcherzyków13.
Struktury hybrydowe wykazują niezwykłą poprawę wymiany ciepła we wrzeniu dla wszystkich strumieni ciepła dzięki połączonemu efektowi hydrofobowości i hydrofilowości14,15,16. Hsu i in. wytworzyli niejednorodną powierzchnię zwilżalną, pokrywając superhydrofilowe nanocząstki Si na zamaskowanej powierzchni miedzi. Udało im się osiągnąć różne współczynniki zwilżalności poprzez zróżnicowanie czasu powlekania. Początek wrzenia nastąpił wcześniej na powierzchniach niejednorodnych w porównaniu z powierzchnią jednorodną, co znacznie zmniejszyło przegrzanie ściany17. Jo i in. przeprowadzili badania wymiany ciepła w wrzeniu nukleinowym na hydrofilowych, hydrofobowych i niejednorodnych powierzchniach zwilżających. Niejednorodna powierzchnia zwilżająca składała się z hydrofobowych wzorzystych kropek na powierzchni hydrofilowej. Uzyskali wyższe HTC i ten sam CHF dla powierzchni heterogenicznej w porównaniu z powierzchnią hydrofilową. Poprawa wymiany ciepła podczas wrzenia zależy bezpośrednio od liczby punktów na powierzchni i od warunków wrzenia18.
W tym badaniu, osiowe hybrydowe wzory zwilżalne zostały wytworzone na cylindrycznej powierzchni miedzi przy użyciu techniki powlekania zanurzeniowego. Przeprowadzono badania wymiany ciepła we wrzeniu basenowym w celu określenia wpływu liczby linii międzyliniowych i orientacji hybrydowego wzoru zwilżalnego. Przeanalizowano strumień wrzącego ciepła, HTC i dynamikę pęcherzyków dla wszystkich powlekanych podłoży i porównano je z podłożem miedzianym.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie zmodyfikowanych powierzchni
- Ręcznie wypolerować próbkę testową (drążony cylinder miedziany o długości 40 mm (l), średnicy zewnętrznej 25 mm (do) i średnicy wewnętrznej 18 mm (di)) przez 15 min, używając papieru ściernego o ziarnistości ＃2 0. Oczyścić wypolerowaną powierzchnię, płukąc ją acetonem, a następnie wodą DI.
- Umieścić wypolerowaną próbkę testową w piekarniku na 2 h w stałej temperaturze 120 °C.
- Przygotować superhydrofilowy roztwór nanocząsteczek SiO2 zgodnie z poniższymi krokami:
- Przygotować roztwór A, mieszając tetraetoksysilan i wodę DI w stosunku molowym 1:4. Dodać do roztworu A 2 krople 37% stężonego HCl i mieszać przez 2 h.
- Przygotować roztwór B, mieszając etanol i wodę DI w stosunku molowym 1:3.
- Wymieszać 1 mL roztworu A z 80 mL roztworu B i mieszać przez 2 h.
- Dodać 32 g nanocząsteczek SiO2 (o średnicy 40 nm) do przygotowanego roztworu i mieszać przez 1 h.
- Zanurzyć próbkę testową w przygotowanym roztworze za pomocą aparatury do powlekania metodą dip-coating z prędkością 5 mm/min. Przechowywać powlekaną próbkę w piekarniku w temperaturze 120 °C przez 1 h.
- Przygotować 2, 4 i 8 przerwanych hybrydowych wzorów o różnych orientacjach wzdłuż kierunku osiowego (jak pokazano na Rysunku 1) zgodnie z poniższymi krokami:
- Zamaskować obszar, który nie ma zostać powlekany, używając taśmy izolacyjnej zgodnie z wymaganą liczbą przerw i odpowiednią orientacją (dla powierzchni z 2 przerwami o orientacji 0° ustawić przerwy w centrum, a obszar superhydrofilowy (obszar do powlekania) na górnej stronie. Z kolei dla orientacji 90° ustawić jedną przerwę na górze, a drugą na dole, a dla orientacji 180° ustawić obszar superhydrofilowy na dole i przerwy w centrum. Analogicznie ustawić położenie powierzchni z 4 i 8 przerwami o różnych orientacjach, jak pokazano na Rysunku 1).
- Zanurzyć zamaskowaną próbkę testową w przygotowanym roztworze za pomocą aparatury do powlekania metodą dip-coating; zanurzyć z dużą prędkością i wyciągnąć z niską prędkością 5 mm/min. Przechowywać powlekaną próbkę w piekarniku w temperaturze 120 °C przez 1 h.
- Usunąć taśmę izolacyjną z zamaskowanego obszaru, aby uzyskać wymaganą liczbę przerw o odpowiedniej orientacji.
Rycina 1. Wybór różnych powierzchni z liniami pomocniczymi. (a) Schemat różnych powierzchni z rowkami o różnych orientacjach. Stosunek powierzchni gładkiej miedzi do powierzchni superhydrofilowej wynosi 1:1 we wszystkich warunkach. (b) Kryteria wyboru orientacji. (c) Widok izometryczny 2 interline 0° powierzchnia zorientowana kątowo. Orientację określono jako kąt pomiędzy linią bazową a linią środkową powłoki pierwszego hydrofilowego wzoru od strony górnej, mierzony zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
2. Procedura eksperymentalna
- Za pomocą taśmy izolacyjnej przymocuj jedną szklaną rurkę do każdej okrągłej podstawy powlekanej próbki testowej.
- Przymocuj ten zestaw poziomo do komory o wymiarach 140- x 140- x 160-mm (jak pokazano na Rysunku 2), używając pasty silikonowej zgodnie z wymaganym położeniem linii międzywyznaczających.
- W otworze próbki testowej umieść grzałkę patronową o mocy 50-W, średnicy 18-mm i długości 40 mm, nakładając cienką warstwę pasty termoprzewodzącej na obszar obwodowy.
- Podłącz grzałkę patronową do zasilacza prądu stałego (DC).
- W 8 równomiernie rozmieszczonych otworach o średnicy 1-mm umieść termopary typu T, na naprzemiennych głębokościach 5 mm i 7 mm, jak pokazano na Rysunku 3. Podłącz je do rejestratora danych.
- W wyznaczonych miejscach na górnej pokrywie włóż i przymocuj czujniki temperatury RTD, chłodnicę zwrotną oraz grzałkę pomocniczą. Przymocuj je nad komorą wrzenia.
- Wlej 1 40 mL wody DI do komory wrzenia basenowego.
- Podłącz chłodnicę zwrotną do komory chłodzącej utrzymywanej w temperaturze 5 °C.
- Przed rozpoczęciem eksperymentu intensywnie gotuj wodę DI w komorze wrzenia basenowego przez 30 min, używając grzałki pomocniczej.
- Utrzymuj wodę DI w stanie wrzenia nasyconego za pomocą grzałki pomocniczej. Następnie włącz zasilacz i podaj prąd początkowy o natężeniu 0,1 A.
- Odczekaj 2 min w celu osiągnięcia stanu ustalonego. Następnie zwiększaj natężenie prądu w krokach o 0,3 A.
- Rejestruj temperaturę dla każdego poziomu mocy wejściowej za pomocą rejestratora danych. Kontynuuj eksperyment, aż do osiągnięcia maksymalnego natężenia prądu 4 A. Jednocześnie rejestruj dynamikę pęcherzyków dla każdej mocy wejściowej za pomocą kamery CCD umieszczonej przed komorą wrzenia basenowego i skierowanej na próbkę testową.
Rysunek 2. Schemat komory wrzenia z zapasem cieczy. Szklane rurki są połączone z obiema stronami pustego w środku miedzianego cylindra za pomocą pasty silikonowej. Jest on przymocowany do komory wrzenia pęcherzykowego za pomocą pasty silikonowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 3. Pozycjonowanie termopary. Osiem termopar umieszczono w otworach o średnicy 1 mm, rozmieszczonych obwodowo w próbce badawczej na średnicy 20 mm. Głębokości naprzemiennych otworów o średnicy 1 mm ustalono odpowiednio na 5 mm i 7 mm. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
3. Redukcja danych
- Oblicz doprowadzone ciepło (Q), korzystając z następującego równania19
Q = IV (1)
UWAGA: Ja i V odpowiednio prąd wejściowy w amperach oraz napięcie w woltach. - Oszacuj stratę ciepła (Qstrata) z dwóch powierzchni bocznych, korzystając ze wzoru19:
(2)
UWAGA: k to przewodność cieplna miedzi; T7 mm oraz T5 mm są to średnie wartości temperatury odpowiednio na głębokościach 7 mm i 5 mm; Δx (2 mm) to różnica między głębokościami; a
jest powierzchnią przekroju poprzecznego próbki. - Wyznacz strumień ciepła (q'') korzystając z następującego wzoru19:
(3)
UWAGA: A = πdoL jest powierzchnią obwodową próbki. - Oblicz przesycenie ściany (stosując następujące równanie19:
![Wzór na równowagę termiczną ΔTw=Tm-[(Q-Qloss)/(2πLk)]ln(ro/rm)-Tsat; obliczenia naukowe.](/files/ftp_upload/55387/55387eq4.jpg "figure-protocol-7")
(4)
UWAGA: Tm jest średnią z T7 mm oraz T5 mm, jest długością próbki, ro promień zewnętrzny próbki, r (12,5 mm)m (10 mm) promień próbki w miejscach otworów pomiarowych oraz Tsat temperatura nasycenia wody dejonizowanej (DI), jak pokazano w Rysunek 4. - Oblicz współczynnik przekazywania ciepła (α), korzystając z następującego wzoru19:
(5)
Rysunek 4. Schemat analizy temperatury ścianek. Temperaturę ścianki oblicza się, wykorzystując zmierzoną średnią temperaturę oraz znany cylindryczny opór cieplny. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Doświadczenia z wymiany ciepła w procesie wrzenia z zapasów przeprowadzono na hybrydowej zwilżalnej powierzchni cylindrycznej, wykorzystując układ doświadczalny, którego schemat przedstawiono na Rysunku 5. Procedura doświadczalna wrzenia z zapasów, opisana w kroku 2 sekcji protokołu, została pomyślnie zrealizowana podczas badania wpływu liczby linii międzywydzieleniowych oraz orientacji hybrydowego wzoru zwilżalności na efektywność wrzenia z zapasów. Efektywność wrzenia z...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Głównym celem tego badania było opracowanie basenowego radiatora wrzącego do zastosowań o wysokim rozpraszaniu ciepła, takich jak reaktory jądrowe, kotły i rury cieplne, poprzez wprowadzenie hybrydowej powierzchni zwilżalnej, jak opisano w sekcji protokołu. Powierzchnie te mogą zapewniać lepszą wydajność wrzenia w basenie niż jednorodne powierzchnie zwilżalne (hydrofilowe i hydrofobowe). Poprawa wydajności wymiany ciepła podczas wrzenia wynika ze wzrostu liczby aktywnych miejsc zarodkowania i łatwego odrywania powstałych...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Podziękowania
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe ze strony Ministerstwa Nauki i Technologii, MOST (numery projektów: 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 i MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| dejonizowana | |||
| Nanoproszek krzemionki, 40 nm | UniRegion Bio-Tech | 60676860 | |
| Etanol | ECHO Chemical co. Ltd | 64175 | |
| Kwas solny | SHOWA Chemical co. Ltd. | ||
| Tetraetoksysilan | SHOWA Chemical co., Ltd. | 78104 | |
| Aceton | UNI-ONWARD CORP. | 67641 | |
| Grzałka kasetowa | Grzałka Chung Shun & Instrument Co, Sp. z o.o. | ||
| Szkło pyrexowe | Serwis szyb samochodowych, Tajwan | ||
| Zwykłe szkło hartowane | Serwis szkła samochodowego, Tajwan | ||
| Pasta termiczna | Electrolube | EG-30 | |
| Taśma izolacyjna | Chuan Chi Trading Co., Ltd | Taśma kaptonowa Papier | |
| ścierny | Chuan Chi Trading Co. Ltd | #2000 | |
| Piec grzewczy | Chung Chuan | Hong Sen HS-101 | |
| Wagi elektroniczne | A& D co. Ltd | GX400 | |
| Myjka ultradźwiękowa | Bransonic Bransonic | 3510 | |
| Mieszadło magnetyczne | Żółta linia | MST D S1 | |
| Rejestrator danych | Kamera CCD Yokogawa | MX-100 | |
| JVC | LY35862-001A Pasta silikonowa | ||
| Chuan Chi Trading Co., Ltd | CS170000 | ||
| Goniometr kąta zwilżania | Sindatek | Model 100SB | |
| Nagrzewnica pomocnicza | Chuan Chi Trading Co., Ltd | ||
| Termopary typu T | Chuan Chi Trading Co. Ltd | ||
| Skraplacz refluksowy | Chuan Chi Trading Co., Ltd | ||
| Włókno szklane | Profesjonalne tworzywa sztuczne, Tajwan |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
