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Artigo de método

Enhancement Pool-ebulição de transferência de calor em cilíndricos Superfícies com padrões molháveis ​​híbridos

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⸱

DOI:

10.3791/55387

⸱

10 de abril de 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

experiências de transferência de calor em ebulição piscina foram realizados para observar os efeitos de padrões molháveis ​​híbridos sobre o coeficiente de transferência de calor (HTC). Os parâmetros de investigação são o número de entrelinhas e a orientação do padrão de superfície molhável modificado.

Resumo

Neste estudo, experimentos de transferência de calor de fervura de piscina foram realizados para investigar o efeito do número de interlinhas e a orientação do padrão híbrido molhável. Padrões híbridos molháveis foram produzidos revestindo SiO2 super-hidrofílico em uma superfície de cobre cilíndrica hidrofóbica mascarada. Usando água desionizada (DI) como fluido de trabalho, estudos de transferência de calor de ebulição de piscina foram conduzidos nos diferentes cilindros de cobre tratados na superfície de 25 mm de diâmetro e 40 mm de comprimento. Os resultados experimentais mostraram que o número de entrelinhas e a orientação do padrão híbrido de mesa molhável influenciaram o superaquecimento da parede e o HTC. Ao aumentar o número de interlinhas, o HTC foi aprimorado quando comparado à superfície plana. Imagens obtidas da câmera do dispositivo de carga acoplada (CCD) indicaram que mais bolhas se formaram nas entrelinhas em comparação com outras peças. O padrão híbrido molhável com a seção mais baixa sendo hidrofóbica deu o melhor coeficiente de transferência de calor (HTC). Os resultados experimentais indicaram que a dinâmica de bolhas da superfície é um fator importante que determina a ebulição nucleada.

Introdução

Um sistema de alta calor de fluxo-sustentada proporcionando arrefecimento na gama de 10-10 maio W / cm2 é necessária nos campos emergentes da electrónica, defesa, aviónica, e desenvolvimento de dispositivo nuclear. de arrefecimento convencional com ar é insuficiente para estas aplicações, devido ao coeficiente de transferência de calor baixo (HTC) para ambas as condições Free- e de convecção forçada. As técnicas de arrefecimento à base de mudança de fase, tais como piscina de ebulição e fluxo de ebulição, são suficientemente boas para remover fluxos de calor elevadas da ordem de 10 - 1000 W / cm 2 1. Uma vez que o processo de transferência de calor de duas fases é isotérmica, a temperatura do dispositivo arrefecida é quase constante ao longo da sua superfície. Devido à variação insignificante da temperatura ao longo da superfície, o choque térmico do dispositivo pode ser eliminado. No entanto, a principal limitação em ebulição parâmetro de transferência de calor é o fluxo crítico de calor (ICC), o que provoca um aumento anormal da temperatura dois .

Nas últimas décadas, uma extensa pesquisa foi realizada para melhorar a CHF usando modificação da superfície, nanofluidos, e revestimentos de superfície 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Entre os vários métodos, revestimentos de superfície são encontrados para ser o melhor método para melhorar a CHF devido ao aumento substancial na área de superfície. Os revestimentos superficiais geralmente aumentar a transferência de calor por acção da aleta, efeitos de porosidade, e molhabilidade da superfície 12. molhabilidade da superfície desempenha um papel significativo na fervura de transferência de calor. Estudos anteriores mostram que, em condições de calor de fluxo mais baixas, a superfície hidrofóbica mostra melhor HTC devido ao início de nucleação. No entanto, amaior fluxo de calor, o desprendimento das bolhas formadas é lento devido à baixa afinidade de água em direcção à superfície. Isto leva a bolha coalescência e resulta numa menor 3 CHF. Por outro lado, uma superfície hidrofílica produz um CHF mais elevado, por causa do rápido desprendimento das bolhas formadas, mas dá uma HTC inferior a fluxos de calor de baixo, devido ao atraso na bolha 13 de nucleação.

As estruturas híbridas mostram uma melhoria notável em ebulição de transferência de calor para todos os fluxos de calor devido ao efeito combinado de hidrofobicidade e hidrofilicidade 14, 15, 16. Hsu et al. produzido superfície molhável heterogénea por revestimento super-hidróf ila Si nanopartículas sobre uma superfície de cobre mascarado. Conseguiram diferentes rácios de molhabilidade, variando o tempo de revestimento. O início da ebulição ocorreu mais cedo nas superfícies heterogéneos em comparação com o homogeneous superfície, o que reduziu substancialmente a parede 17 sobreaquecer. Jo et al. realizados estudos de transferência de calor de ebulição nucleada em superfícies de molhagem hidrofílicas, hidrofóbicas, e heterogéneas. A superfície molhante heterogénea foi composta por pontos estampados hidrofóbicas na superfície hidrofílica. Eles tem HTCs mais elevados e ao mesmo CHF para a superfície heterogénea, em comparação com a superfície hidrofílica. Uma melhoria na fervura de transferência de calor depende diretamente do número de pontos na superfície e sobre as condições de ebulição 18.

Neste estudo, os padrões molháveis ​​híbridos axiais foram produzidas sobre uma superfície de cobre cilíndrica utilizando a técnica de revestimento por imersão. -Pool ebulição estudos de transferência de calor foram conduzidos para determinar os efeitos do número de entrelinhas e da orientação do padrão molhável híbrido. Ebulição do fluxo de calor, HTC, e dinâmicas de bolha foram analisadas para todos os substratos revestidos e nósre em comparação com o substrato de cobre.

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Protocolo

1. Preparação das superfícies modificadas

  1. Polir manualmente a peça de teste (cilindro oco de cobre com um comprimento de 40 mm (l), um diâmetro exterior de 25 mm (d o), e um diâmetro interno de 18 mm (d i)) durante 15 min, utilizando um # 2000 esmeril papel. Limpar a superfície polida, enxaguando-se com acetona seguida de água DI.
  2. Colocar a peça de teste polido numa estufa durante 2 h a uma temperatura constante de 120 ° C.
  3. Prepara-se uma solução super-hidróf ila nanopartícula SiO2 usando os seguintes passos.
    1. Preparar a solução A por mistura de 1: 4 proporções molares de tetraetoxisilano e ua DI. Adicionar 2 gotas de HCl concentrado 37% à solução A e agitou-se durante 2 h.
    2. Adicione a soluo B por mistura de uma razão de 1: 3 molar de etanol e de água Dl.
    3. Misturar 1 ml de solução A a 80 ml de solução B e agita-se durante 2 h.
    4. Adicionar 32 g de SiO 2 nanopartículas (diâmetro de 40 nm) para a solu preparadoção e mexa por 1 h.
  4. Mergulha-se o pedaço de teste na solução preparada por meio do aparelho de revestimento por imersão com uma velocidade de 5 mm / min. Manter a peça de teste revestidos num forno a 120 ° C durante 1 h.
  5. Preparar 2, 4, 8 e padrões dos híbridos interlined com diferentes orientações ao longo da direcção axial (como mostrado na Figura 1), utilizando os seguintes passos.
    1. Mascarar a área a não ser revestidos usando a fita de isolamento de acordo com o número requerido de entrelinhas com a orientação correcta (para a superfície 2-interlinha em uma orientação de 0 °, ajustar Interlines no centro e a área de super-hidróf ila (área a ser revestida) sobre o lado de cima. por outro lado, para a orientação de 90 °, ajustar uma entrelinha na parte superior e outra na parte inferior e para a orientação de 180 °, ajustar a área de super-hidróf ila, na parte inferior e as entrelinhas no centro. do mesmo modo, ajustar o posição dos 4, 8 superfícies interlined com o diferente órientation como mostrado na Figura 1).
    2. Mergulha-se o provete mascarado na solução preparada por meio de um aparelho de revestimento por imersão, mergulho a uma velocidade de imersão e de alta origem a uma velocidade lenta de 5 mm / min. Manter a peça de teste revestidos num forno a 120 ° C durante 1 h.
    3. Remover a fita de isolamento a partir da área mascarada para se obter o número necessário de entrelinhas com a orientação correcta.

figure-protocol-1
Figura 1. Selecção de várias superfícies interlined. (a) Esquema das várias superfícies interlined com orientações diferentes. A relação de uma superfície de cobre liso e uma superfície super-hidróf ila área é de 1: 1 em todas as condições. critérios de selecção (b) a orientação. (c) vista isométrica de dois interlinha superfície orientada a 0 ° ângulo. Orientação é seleccionado como o ângulo entre a linha de base e de revestimentoA linha central do primeiro padrão hidrófilo do lado de cima e que é medida numa direcção dos ponteiros do relógio. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Procedimento Experimental

  1. Usando a fita isolante, fixar um tubo de vidro, em cada base circular da peça de ensaio revestido.
  2. Horizontalmente fixar este conjunto para a câmara 140- 140- x x 160 mm (como se mostra na Figura 2) usando pasta de silicone de acordo com a posição requerida de entrelinhas.
  3. Coloque um 550-W, 18 mm de diâmetro, e aquecedor de cartucho 40 mm de comprimento com uma película fina de pasta térmica na área circunferencial no orifício da peça de teste.
  4. Ligar o aquecedor de cartucho para uma unidade de fonte de alimentação de corrente contínua (DC).
  5. Lugar do tipo T termopares para os 8 furos de 1 mm igualmente espaçados, com profundidades alternados de 5 milímetros e 7 mm, como mostrado na figura3 Ligue-los para o registrador de dados.
  6. Inserir e fixar detectores de temperatura de resistência (RTD), um condensador de refluxo, e um aquecedor auxiliar nos espaços proporcionados na tampa superior. Corrigi-los sobre a câmara de ebulição.
  7. Encha 1400 mL de água Dl para dentro da câmara de ponto de ebulição piscina.
  8. Ligar o condensador de refluxo a uma câmara de arrefecimento que é mantido a 5 ° C.
  9. Antes do experimento, ferver vigorosamente a água desionizada na câmara de ponto de ebulição piscina durante 30 min utilizando o aquecedor auxiliar.
  10. Manter a água Dl no estado de ebulição saturada usando o aquecedor auxiliar. Subsequentemente, ligar a fonte de alimentação e dar uma corrente inicial de 0,1 A.
  11. Esperar durante 2 minutos, a fim de atingir um estado de equilíbrio. Em seguida, aumentar a corrente elétrica com incrementos de 0,3 A.
  12. Registar a temperatura em cada entrada de energia usando o registador de dados. Continue a experiência até que uma corrente máxima de 4 A seja alcançado. Enquanto isso, registrar a bolha dinâmica f ou cada entrada de energia utilizando uma câmara CCD colocado em frente da câmara de ebulição de piscina, que é focado sobre a peça de teste.

figure-protocol-2
Figura 2. Esquema da Câmara Pool-fervente. tubos de vidro são ligadas a ambos os lados do cilindro oco de cobre com pasta de silicone. Este é fixo na câmara de ponto de ebulição piscina com pasta de silicone. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-protocol-3
Figura 3. Termopar Posicionamento. 8 termopares são colocados no interior dos furos de 1 mm de diâmetro de modo circunferencial no lugar peça de ensaio com um diâmetro de 20 mm. As profundidades dos furos de 1 mm de diâmetro alternados são fixas a 5 mm e 7 mm, respectivamente./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Redução de Dados

  1. Calcular a entrada de calor (Q) usando a seguinte equação 19
    Q = I V (1)
    NOTA: I e V são a corrente de entrada em amperes e a voltagem em volts, respectivamente.
  2. Estimar a perda de calor (perda Q) a partir das duas superfícies laterais, usando a fórmula 19:
    figure-protocol-4 (2)
    NOTA: K é a condutividade térmica do cobre; T 7 mm e T 5 milímetros são os valores médios da temperatura a uma profundidade de 7 mm e 5 mm, respectivamente; ? X (2 mm) é a diferença entre as profundidades; e
    figure-protocol-5 é a área da secção transversal do teste p IECE.
  3. Determinar o fluxo de calor (q ''), usando a seguinte fórmula 19:
    figure-protocol-6 (3)
    NOTA: A = π d o L representa a área periférica da peça de teste.
  4. Calcular o sobreaquecimento parede (usando a seguinte equação 19:
    figure-protocol-7 (4)
    NOTA: Tm representa a média de T 7 mm e t 5 mm, o comprimento da peça de ensaio, r o (12,5 mm), o raio externo do corpo de prova, r m (10 mm), o raio do provete no medição de furos, e T é sentou a temperatura de saturação de água DI, como mostrado na Figura 4.
  5. Calcular o HTC (α) com a seguinte fórmula 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)

figure-protocol-8
Figura 4. Esquema da Análise da temperatura da parede. temperatura da parede é calculada usando a temperatura média medida e conhecida resistência térmica cilíndrica. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Resultados

Experiências de transferência de calor de ponto de ebulição de piscina foram realizados sobre uma superfície cilíndrica molhável híbrido utilizando a disposição experimental cujo esquema está ilustrado na Figura 5. O procedimento experimental de ponto de ebulição piscina explicado no passo 2 da secção protocolo foi realizado com sucesso, para investigar o efeito do número de entrelinhas e da orientação do padrão molhável híbrido no desempenho de ponto de ebulição piscina...

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Discussão

O principal objetivo desta investigação foi desenvolver um dissipador de calor de ebulição de piscina para aplicações de alta dissipação de calor, como reatores nucleares, caldeiras e tubos de calor, introduzindo a superfície molhável híbrida, conforme descrito na seção de protocolo. Essas superfícies podem produzir melhores desempenhos de fervura de piscina do que superfícies homogêneas molháveis (hidrofílicas e hidrofóbicas). A melhoria no desempenho de transferência de calor em ebulição deve-se a um aumento nos locais...

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Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro do Ministério da Ciência e Tecnologia, MOST (números do projeto: 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 e MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
deionizada
Nanopowder de sílica, 40 nmUniRegion Bio-Tech60676860
EtanolECHO Chemical co. Ltd64175
Ácido clorídricoSHOWA Chemical co. Ltd.
TetraetoxissilanoSHOWA Chemical co. Ltd.78104
AcetonaUNI-ONWARD CORP.67641
Aquecedor de cartuchoChung Shun Heater & Instrumento Co, Ltd.
Vidro Pyrex Serviço de vidro automotivo, Taiwan
Vidro temperado comumServiço de vidro automotivo, Taiwan
Pasta térmicaElectrolubeEG-30 
Fita de isolamentoChuan Chi Trading Co. LtdFita Kapton Lixa
Chuan Chi Trading Co. Ltd# 2000
Forno de aquecimentoChung ChuanHong Sen HS-101
Balanças eletrônicasA & D co. LtdGX400
Limpador ultrassônicoBransonic Bransonic3510
Agitador de ímãLinha amarelaMST D S1
Registrador de dados YokogawaMX-100
JVCLY35862-001A
Pasta de SiliconePermatex599BR
Fonte de AlimentaçãoGwinstekGPR-20H50D
Fita de Teflon Chuan Chi Trading Co. LtdCS170000
Goniômetro de Ângulo de ContatoSindatekModelo 100SB
Aquecedor AuxiliarChuan Chi Trading Co. Ltd
Termopares tipo TChuan Chi Trading Co. Ltd
Condensador de Refluxo Chuan Chi Trading Co. Ltd
Plásticos profissionais de fibra de vidro, Taiwan
Água 7647010Câmera CCD

Referências

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