Эксперименты теплообменного бассейна кипения были проведены, чтобы наблюдать эффекты гибридных смачиваемых узоров на коэффициенте теплопередачи (HTC). Параметры исследования являются количеством interlines и ориентация модели модифицированной смачиваемой поверхности.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Бассейн-Кипение теплопередающие Enhancement на цилиндрических поверхностях с Гибридным смачиваемых Patterns
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
В этом исследовании были проведены эксперименты по термообмену при кипячении в бассейне, чтобы изучить влияние количества промежуточных линий и ориентации гибридного смачиваемого рисунка. Гибридные смачиваемые модели были получены путем нанесения супергидрофильного SiO2 на замаскированную, гидрофобную, цилиндрическую медную поверхность. С использованием деионизированной (DI) воды в качестве рабочей жидкости были проведены исследования теплопередачи при кипении в бассейне на различных обработанных медных цилиндрах диаметром 25 мм и длиной 40 мм. Результаты эксперимента показали, что количество промежуточных линий и ориентация гибридного смачиваемого рисунка влияют на перегрев стенки и HTC. За счет увеличения количества межстрочных линий HTC был улучшен по сравнению с гладкой поверхностью. Изображения, полученные с камеры устройства с зарядовой связью (ПЗС), показали, что на промежуточных линиях образуется больше пузырей по сравнению с другими частями. Гибридная смачиваемая схема, самая нижняя часть которой является гидрофобной, дала наилучший коэффициент теплопередачи (HTC). Результаты экспериментов показали, что динамика пузырьков на поверхности является важным фактором, определяющим закипание ядра.
Введение
Высокий тепловой поток поддержания системы , обеспечивающей охлаждение в диапазоне 10-10 5 Вт / см 2 требуется в новых областях электроники, обороны, бортового оборудования, а также развитие ядерного устройства. Обычные охлаждение воздуха является недостаточным для этих применений из-за низкий коэффициент теплопередачи (HTC) для обоего свободно-и принудительной конвекции условий. Методы охлаждения с изменением фазы на основе, например, кипении и поток кипящей, достаточно хорошо , чтобы удалить высокие тепловые потоки на порядка 10 - 1000 Вт / см 2 1. Так как процесс теплопередачи двухфазного изотермический, охлажденная температура устройства почти постоянна по его поверхности. Из-за незначительной вариации температуры вдоль поверхности, тепловой шок устройства могут быть устранены. Тем не менее, основной ограничивающий параметр в кипящей теплопередачу является критическим тепловым потоком (CHF), который вызывает аномальное повышение температуры 2 .
В течение последних нескольких десятилетий, обширное исследование было проведено с целью улучшения CHF с помощью модификации поверхности, наножидкостей и поверхностных покрытий 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Среди различных методов, поверхностные покрытия оказываются лучший способ улучшить CHF за счет существенного увеличения площади поверхности. Поверхностные покрытия как правило , увеличивают передачу тепла за счет действия плавника, пористости и эффектов, смачиваемости поверхности 12. Смачиваемость поверхности играет существенную роль в кипящей теплопередачу. Предыдущие исследования показали, что при более низких тепловых потоках условий, гидрофобная поверхность показывает лучше HTC из-за раннее зарождение. Тем не менее, ввыше, поток тепла, отряд образовавшихся пузырьков происходит медленно из-за низкой аффинностью воды к поверхности. Это приводит к коалесценции пузырьков и приводит к более низкой CHF 3. С другой стороны, гидрофильная поверхность приводит к более высокой CHF, из-за быстрый отрыв образованных пузырьков, но это дает более низкую HTC при низких тепловых потоках, из - за задержки в пузырях 13.
Эти гибридные структуры показывают замечательное улучшение в кипящую теплопередачу для всех тепловых потоков за счет комбинированного эффекта гидрофобности и гидрофильности 14, 15, 16. Хсу и др. получают гетерогенную смачиваемая поверхность пути покрытия superhydrophilic Si наночастиц на маскированную поверхности меди. Они достигли различных соотношений смачиваемости путем изменения времени нанесения покрытия. Начала кипения произошло раньше на гетерогенных поверхностях по сравнению с чomogeneous поверхность, которая , по существу , уменьшить перегрев стенки 17. Джо и соавт. провел исследование теплоотдачи пузырькового кипения на гидрофильных, гидрофобные и гетерогенные смачивающие поверхностях. Гетерогенной смачивающий поверхность состоит из гидрофобных узорчатых точек на гидрофильной поверхности. Они получили более высокие HTCs и тот же CHF на гетерогенной поверхности по сравнению с гидрофильной поверхностью. Улучшение в кипящую теплопередачу напрямую зависит от количества точек на поверхности , так и от условий кипения 18.
В этом исследовании, осевые гибридные смачиваемые образцы были изготовлены на цилиндрическую медную поверхность с использованием методы нанесения покрытия погружения. Бассейн кипения исследований теплообмена были проведены, чтобы определить влияние числа interlines и ориентации гибридного смачиваемого узора. Кипячение теплового потока, HTC, и динамика пузырьков были проанализированы на подложках, покрытых все, и мыповторно по сравнению с медной подложкой.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Подготовка поверхностей модифицированных
- Вручную полировать испытательный образец (полый медный цилиндр с длиной 40 мм (L), 25-мм внешний диаметр (d о), и 18-мм внутренний диаметр (D I)) в течение 15 мин с использованием # 2000 наждачной бумага. Очистите полированную поверхность путем промывки его с ацетоном с последующим деионизированной водой.
- Поместите полированную испытательный образец в сушильном шкафу в течение 2 ч при постоянной температуре 120 ° С.
- Приготовьте superhydrophilic SiO 2 раствор наночастиц , используя следующие шаги.
- Готовит раствор А при смешивании 1: 4 молярных соотношений тетраэтоксисилана и деионизированной воды. Добавьте 2 капли 37% концентрированной соляной кислоты к раствору А и перемешивали в течение 2 ч.
- Сделать раствор B путем смешивания 1: 3 молярное соотношение этанола и деионизированной воды.
- Смешайте 1 мл раствора А до 80 мл раствора Б и перемешивают в течение 2 ч.
- Добавьте 32 г наночастиц SiO 2 (диаметр 40 нм) на подготовленную Солуции и перемешивают в течение 1 ч.
- Погружают в испытуемый образец полученного раствора с использованием устройства для нанесения покрытия погружением со скоростью 5 мм / мин. Хранить с покрытием испытуемый образец в сушильном шкафу при 120 ° С в течение 1 ч.
- Подготовьте 2, 4 и 8 interlined гибридных моделей с различной ориентацией вдоль осевого направления (как показано на рисунке 1) , используя следующие шаги.
- Маска области, чтобы быть без покрытия с использованием изоляционной ленты в соответствии с требуемым количеством interlines с правильной ориентацией (для 2-интерлайн поверхности при 0 ° ориентации, отрегулировать interlines в центре и superhydrophilic области (область должны быть покрыто) на верхняя сторона. с другой стороны, для ориентации 90 °, отрегулировать один интерлайн в верхней, а другой в нижней части и для ориентации на 180 °, отрегулировать superhydrophilic область на дне и interlines в центре. Аналогичным образом, регулировать положение 4, 8 interlined поверхностей с различными Orientation , как показано на рисунке 1).
- Погружает в маске испытательного образца в приготовленном растворе с использованием устройства для нанесения покрытия погружения, погружения с высокой скоростью погружения и подъем на медленной скорости 5 мм / мин. Хранить с покрытием испытуемый образец в сушильном шкафу при 120 ° С в течение 1 ч.
- Удалите изоляционную ленту с маскированной области, чтобы получить требуемое количество interlines с правильной ориентацией.
Рисунок 1. Выбор различных Interlined поверхностей. (а) Схема различных interlined поверхностей с разной ориентацией. Отношение площади простой медной поверхности и superhydrophilic поверхности составляет 1: 1 в любых условиях. Критерии выбора (б) ориентации. (с) изометрический вид 2 интерлайн 0 ° угла ориентированной поверхности. Ориентация выбрана как угол между базовой линией и покрытиемцентральная линия первого гидрофильного рисунка с верхней стороны и измеряется в направлении по часовой стрелке. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
2. Методика экспериментальной
- Используя изоляционную ленту, фиксирует одну стеклянной трубку на каждом круговое основании с покрытием испытательного образца.
- Горизонтально исправить эту сборку в 140- х 140- х 160-мм камеры (как показано на фиг.2) с использованием кремниевой пасты согласно требуемой позиции interlines.
- Поместите 550 Вт, диаметр 18 мм и 40 мм длиной нагревателя картриджа с тонкой пленкой термопасты на периферийную области в отверстие испытательного образца.
- Подключение нагревателя картриджа к постоянного тока (DC) блока питания.
- Место Т-типа термопары в 8 равномерно разнесенных 1-мм отверстия, с альтернативными глубины 5 мм и 7 мм , как показано на рисунке3 Подключите их к регистратору данных.
- Вставить и зафиксировать резистивные датчики температуры (RTD), обратный холодильник, и вспомогательный нагреватель в специально отведенных местах на верхней крышке. Закрепите их через испарительную камеру.
- Заполните 1400 мл деионизированной воды в камеру бассейна кипения.
- Подключение обратным холодильником в охлаждающую камеру, которая поддерживается при температуре 5 ° C.
- До начала эксперимента, энергично варить DI воды в камере бассейна кипения в течение 30 мин с помощью вспомогательного нагревателя.
- Хранить DI воды в насыщенном состоянии кипения с помощью вспомогательного нагревателя. Затем включите источник питания и дать начальный ток 0,1 А.
- Подождите в течение 2 мин, чтобы достичь устойчивого состояния. Затем увеличить электрический ток с шагом 0,3 А.
- Записывают температуру при каждой входной мощности с помощью регистратора данных. Продолжить эксперимент до тех пор, максимальный ток 4 А пока не будет достигнут. В то же время, запись динамики пузырька п или каждый входная мощности с помощью ПЗС-камеры, расположенных перед камерой бассейна температуры кипения, которая ориентирована на опытном образце.
Рисунок 2. Схема Pool-испарительную камеру. Стеклянные трубки соединены с обеих сторон полого медного цилиндра с кремниевой пастой. Это крепится к камере бассейна с температурой кипения силиконовой пастой. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Термопара позиционирования. 8 Термопары помещают внутрь отверстия диаметром мм 1 по окружности в месте испытательного образца при диаметре 20 мм. Глубина альтернативных отверстий диаметром 1 мм фиксируются на 5 мм и 7 мм соответственно./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
3. Снижение данных
- Вычислить подвод тепла (Q), используя следующее уравнение 19
Q = I В (1)
Примечание: Я и V является входным током в амперах и напряжение в вольтах, соответственно. - Оценка потерь тепла (Q потеря) от двух боковых поверхностей с использованием формулы 19:
(2)
Примечание: К является теплопроводность меди; Т 7 мм и Т 5 мм являются средними значениями температуры на глубинах от 7 мм и 5 мм соответственно; ? X (2 мм) представляет собой разность между глубинами; а также
площадь поперечного сечения испытуемого р IECE. - Определение теплового потока (Q ') с помощью следующей формулы 19:
(3)
Примечание: А = π д о л окружная площадь испытуемого образца. - Вычислить перегрев стенки (используя следующее уравнение 19:
(4)
Примечание: Т м представляет собой среднее значение Т 7 мм и T 5 мм, длина испытательного образца, г о (12,5 мм) внешний радиус испытательного образца, г м (10 мм) радиус испытательного образца в то измерения отверстий, и Т сидел температура насыщения деионизированной воды , как показано на рисунке 4. - Вычислить HTC (а) с помощью следующей формулы 19:
pload / 55387 / 55387eq5.jpg»/> (5)
Рисунок 4. Схема анализа температуры стены. температура стенки вычисляются с использованием измеренной средней температуры и известным цилиндрическим тепловое сопротивления. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Эксперименты теплообменного бассейна кипения были проведены на гибридное смачиваемоге цилиндрической поверхности с помощью экспериментальной установки которого схематически показан на рисунке 5. Экспериментальная процедура бассейна кипения описано в шаге 2 раздела протокола был успешно проведен при исследовании влияния количества interlines и ориентации гибридного смачиваемого рисунка на производительность бассейна кипения. Была представлена бассейн кипения характерист...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Основной целью этого исследования была разработка теплоотвода с кипящим в бассейне для применений с высокой отдачей тепла, таких как ядерные реакторы, котлы и тепловые трубы, путем внедрения гибридной смачиваемой поверхности, как описано в разделе протокола. Эти поверхности могут обеспечить лучшие характеристики кипения в бассейне, чем однородные смачиваемые поверхности (гидрофильные и гидрофобные). Улучшение характеристик теплообмена при кипении обусловлено увеличением активных центров зарождения и легким отрывом образо...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Благодарности
Авторы с благодарностью признают финансовую поддержку от Министерства науки и технологий, MOST (номера проектов: 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 и MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Деионизированная вода | |||
| Нанопорошок диоксида кремния, 40 нм | UniRegion Bio-Tech | 60676860 | |
| этанол | ECHO Chemical co. Ltd | 64175 | |
| Соляная кислота | SHOWA Chemical co. Ltd. | ||
| Тетраэтоксисилан | SHOWA Chemical Co. Ltd. | 78104 | |
| Ацетон | UNI-ONWARD CORP. | 67641 | |
| Картриджный нагреватель | Chung Shun Heater & Instrument Co, Ltd. | ||
| Стекло Pyrex | Обслуживание автомобильных стекол , Тайвань | ||
| Обычное закаленное стекло | Обслуживание автомобильных стекол , Тайвань | ||
| Термопаста | Электросмазка | EG-30 | |
| Изоляционная лента | Chuan Chi Trading Co. Ltd | Каптоновая лента | |
| Наждачная бумага | Chuan Chi Trading Co. Ltd | # 2000 | |
| Нагревательная печь | Chung Chuan | Hong Sen HS-101 | |
| Электронные весы | A & D co. Ltd | GX400 | |
| Ультразвуковой очиститель | Bransonic | Bransonic 3510 | |
| Магнитная мешалка | Желтая линия | MST D S1 | |
| Регистратор данных | Yokogawa | MX-100 | |
| JVC | LY35862-001A | ||
| Силиконовая паста | Permatex | 599BR | |
| Блок питания | Gwinstek | GPR-20H50D Тефлоновая | |
| лента | Chuan Chi Trading Co. Ltd | CS170000 | |
| Угол контакта Угломеритель | Sindatek | Модель 100SB | |
| Вспомогательный обогреватель | Chuan Chi Trading Co. Ltd | ||
| Термопары Т-типа | Chuan Chi Trading Co. Ltd | ||
| Конденсатор рефлюкса | Chuan Chi Trading Co. Ltd | ||
| Стекловолокно | Professional Plastics, Тайвань |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
