Poprawa wymiany ciepła we wrzeniu w basenie na powierzchniach cylindrycznych dzięki hybrydowym wzorom zwilżalnym

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest zbadanie wpływu liczby i orientacji osiowych wzorów zwilżalnych na wymianę ciepła podczas wrzenia w objętości. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu wymiany ciepła podczas wrzenia w objętości, takie jak wpływ zmienności hybrydowej na współczynnik wymiany ciepła podczas wrzenia oraz dynamikę pęcherzyków. Główną zaletą tej techniki jest możliwość dokładnego pomiaru współczynnika wymiany ciepła podczas wrzenia w objętości oraz dynamiki pęcherzyków na hybrydowej powierzchni zwilżalnej.

Na początek należy ręcznie wypolerować pusty w środku miedziany cylinder przez 15 minut, używając papieru ściernego o gradacji 2 000. Oczyść wypolerowaną powierzchnię, płucząc ją acetonem, a następnie wodą dejonizowaną. Umieść wypolerowaną próbkę w piecu na dwie godziny w stałej temperaturze 120 °C.

Aby przygotować superhydrofilowy roztwór nanocząsteczek dwutlenku krzemu, najpierw przygotuj roztwór A, mieszając tetraetoksysilan i wodę dejonizowaną. Następnie dodaj dwie krople 37% stężonego HCl do roztworu A i mieszaj przez dwie godziny. W kolejnym kroku przygotuj roztwór B, mieszając etanol i wodę dejonizowaną.

Następnie zmieszać 1 ml roztworu A i 80 ml roztworu B i mieszać przez dwie godziny. Do przygotowanego roztworu dodać 32 g nanocząsteczek dwutlenku krzemu i mieszać przez jedną godzinę przed zanurzeniem próbki, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Następnie przygotować dwa przeplatające się wzory hybrydowe o różnych orientacjach wzdłuż kierunku osiowego próbki, maskując obszar, który nie ma zostać pokryty, za pomocą taśmy izolacyjnej zgodnie z wymaganą liczbą linii przeplatających o odpowiedniej orientacji.

W przypadku dwóch powierzchni z liniami przerywanymi w orientacji 0 stopni, należy dostosować linie przerywane w centrum oraz obszar superhydrofilowy na górnej stronie. I odwrotnie, dla orientacji 180 stopni, należy dostosować obszar superhydrofilowy na dole oraz linie przerywane w centrum. W podobny sposób należy dostosować położenie czterech i ośmiu powierzchni z liniami przerywanymi o różnych orientacjach.

Następnie zanurz zamaskowaną próbkę w przygotowanym roztworze, korzystając z aparatury do powlekania metodą dip-coating, stosując wysoką prędkość zanurzania i powolną prędkość wyciągania wynoszącą 5 mm/min. Próbkę z powłoką umieść w piecu w temperaturze 120 °C na jedną godzinę. Na koniec usuń taśmę izolacyjną z zamaskowanego obszaru, aby uzyskać wymaganą liczbę linii przerywanych o odpowiedniej orientacji.

Za pomocą taśmy izolacyjnej przymocuj jedną szklaną rurkę do każdej okrągłej podstawy powleczonej próbki. Przymocuj poziomo ten zespół do komory, używając pasty silikonowej, zgodnie z wymaganym położeniem linii międzyśrodkowych. W otwór próbki włóż grzałkę patronową, nakładając cienką warstwę pasty termoprzewodzącej na obszar obwodowy.

Podłącz grzałkę wkładową do zasilacza prądu stałego. Umieść termopary typu T w ośmiu równomiernie rozmieszczonych otworach o średnicy 1 mm, na naprzemiennych głębokościach 5 mm i 7 mm. Następnie podłącz je do rejestratora danych.

Wstaw i zamocuj detektory temperatury rezystancyjne, chłodnicę zwrotną oraz grzałkę pomocniczą w odpowiednich miejscach na górnej pokrywie. Zamocuj je nad komorą wrzenia. Następnie wlej 1,4 litra wody dejonizowanej do komory wrzenia.

Podłącz chłodnicę zwrotną do komory chłodzącej utrzymywanej w temperaturze 5 °C. Przed rozpoczęciem eksperymentu energicznie gotuj wodę dejonizowaną w komorze wrzenia pęcherzykowego przez 30 minut, używając grzałki pomocniczej. Utrzymuj wodę dejonizowaną w stanie wrzenia nasyconego za pomocą grzałki pomocniczej.

Następnie włącz zasilacz i podaj początkowy prąd o natężeniu 0,1 amps. W tym czasie rejestruj dynamikę pęcherzyków dla każdego poziomu mocy, używając kamery CCD umieszczonej przed komorą wrzenia w kąpieli i ustawionej na próbce. Po odczekaniu dwóch minut do osiągnięcia stanu ustalonego, zwiększaj natężenie prądu w przyrostach o 0,3 amps.

Zapisz temperaturę dla każdego poziomu mocy wejściowej, korzystając z rejestratora danych. Kontynuuj eksperyment aż do osiągnięcia maksymalnego natężenia prądu wynoszącego 4 A. Na koniec przeprowadź obróbkę danych zgodnie z opisem w protokole tekstowym.

Przedstawiono tutaj charakterystyki wrzenia z zapasem dla gładkiej powierzchni miedzianej, powierzchni w pełni superhydrofilowej oraz powierzchni hybrydowych z różną liczbą linii przerywanych w orientacji zero stopni. Pokazano wpływ różnych powierzchni na krzywe wrzenia z zapasem, a także zmianę współczynnika przekazywania ciepła (HTC) w funkcji strumienia ciepła. Powierzchnie z ośmioma liniami przerywanymi wykazują lepszy HTC w porównaniu z innymi powierzchniami dla określonego strumienia ciepła, natomiast powierzchnie z dwiema i czterema liniami przerywanymi mają niemal identyczny HTC.

Przedstawiono wpływ orientacji na krzywe wrzenia z zapasami dla dwóch hybrydowych powierzchni z przerwami, czterech hybrydowych powierzchni z przerwami oraz ośmiu hybrydowych powierzchni z przerwami. Przesunięcie krzywych wrzenia z zapasami w lewo uzyskano dla powierzchni z dwiema przerwami przy zerze stopni, dla powierzchni z czterema przerwami przy 90 stopniach oraz dla powierzchni z ośmioma przerwami przy 45 stopniach. Przedstawiono również wpływ orientacji na współczynnik przekazywania ciepła dla dwóch hybrydowych powierzchni z przerwami, czterech hybrydowych powierzchni z przerwami oraz ośmiu hybrydowych powierzchni z przerwami.

Najwyższe wartości HTC zaobserwowano dla powierzchni z dwiema liniami przerywanymi w kącie 0 stopni, czterema liniami przerywanymi w kącie 90 stopni oraz ośmioma liniami przerywanymi w kącie 45 stopni. Po opanowaniu tej techniki można ją stosować na różne sposoby, pod warunkiem jej prawidłowego wykonania. W celu nauki tej procedury można przeprowadzić analizę współczynnika przejmowania ciepła podczas wrzenia w objętości oraz dynamikę pęcherzyków, aby zbadać wpływ zmienności hybrydowej na proces wrzenia w objętości.

Należy pamiętać, że praca z nanocząsteczkami i odczynikami chemicznymi może być niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać środków ostrożności, takich jak noszenie rękawiczek i masek.