Havuz kaynatma ısı transferi deneyleri ısı transferi katsayısı (HTC) üzerine hibrit ıslanabilir desen etkilerini gözlemlemek için yapılmıştır. araştırma parametreleri fugalara sayısı ve modifiye ıslatılabilir yüzey deseni yönelimi vardır.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Hibrid Sulandınlabilir Desenler Silindirik Yüzeylerde Pool-Kaynama Isı Transferinin Geliştirilmesi
* These authors contributed equally
Bu makalede
Özet
Özet
Bu çalışmada, ara hat sayısının etkisini ve hibrit ıslanabilir modelin oryantasyonunu araştırmak için havuz kaynatma ısı transferi deneyleri yapılmıştır. Hibrit ıslanabilir desenler, maskeli, hidrofobik, silindirik bir bakır yüzey üzerine süperhidrofilik SiO2 kaplanarak üretildi. Çalışma sıvısı olarak deiyonize (DI) su kullanılarak, 25 mm çapında ve 40 mm uzunluğunda farklı yüzey işlem görmüş bakır silindirler üzerinde havuz kaynatma ısı transferi çalışmaları yapılmıştır. Deneysel sonuçlar, ara çizgilerin sayısının ve hibrit ıslanabilir modelin oryantasyonunun duvar aşırı ısınmasını ve HTC'yi etkilediğini gösterdi. Ara hatların sayısını artırarak, HTC, düz yüzeye kıyasla geliştirildi. Şarj bağlantılı cihaz (CCD) kamerasından elde edilen görüntüler, ara hatlarda diğer parçalara kıyasla daha fazla kabarcık oluştuğunu gösterdi. En alt kısmı hidrofobik olan hibrit ıslanabilir model, en iyi ısı transfer katsayısını (HTC) verdi. Deneysel sonuçlar, yüzeyin kabarcık dinamiğinin çekirdek kaynamasını belirleyen önemli bir faktör olduğunu göstermiştir.
Giriş
10-10 Mayıs W aralığında soğutma sağlayan bir yüksek ısı akışı besleyen sistemi / cm2 elektronik, savunma, aviyonik ve nükleer cihaz gelişme ortaya çıkan alanlar gereklidir. hava ile geleneksel bir soğutma nedeniyle serbest ve baskılı-konveksiyon koşullar için düşük ısı transferi katsayısı (HTC) için, bu uygulamalar için yeterli değildir. 1,000 W / cm 2 1 - bu ve havuz kaynama gibi faz değişimine dayalı bir soğutma teknikleri, kaynar, akış 10 mertebesinde yüksek ısı akısı kaldırmak için yeterince iyi. iki fazlı bir ısı aktarma işlemi izotermal olduğu için, soğutulmuş, cihaz sıcaklığının yüzey boyunca hemen hemen sabittir. Nedeniyle yüzeyi boyunca sıcaklığın önemsiz değişiklikler nedeniyle, cihazın termal şok elimine edilebilir. Bununla birlikte, ısı transferi kaynayan temel sınırlayıcı parametre sıcaklığında 2 anormal artışa neden olur ve kritik ısı akısı (KKY) 'dir .
Son birkaç on yılda, kapsamlı araştırma yüzey modifikasyonu, nanosıvıları ve yüzey kaplamaları, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 kullanarak CHF geliştirmek için yürütülmüştür. Çeşitli yöntemler arasında, yüzey kaplamaları, yüzey alanında önemli bir artış CHF geliştirmek için en iyi yöntem olduğu bulunmuştur. Yüzey kaplamaları genellikle kanatçık eylem, gözeneklilik etkileri ve yüzey ıslanabilirlik 12 ısı transferini artırır. Yüzey ıslanabilirlik ısı transferi kaynayan önemli bir rol oynamaktadır. Daha önceki çalışmalar, düşük ısı akışı koşullarında, hidrofobik yüzey nedeniyle erken nükleasyon daha HTC göstermektedir göstermektedir. Ancak, endaha yüksek ısı akışı, oluşan kabarcıkların ayrılması nedeniyle yüzeyine doğru suyun düşük afinite yavaştır. Bu balon birleşmesine yol açar ve bir alt CHF 3 ile sonuçlanır. Öte yandan, bir hidrofilik yüzey nedeniyle oluşan kabarcıkların hızlı dekolmanı, daha yüksek bir CHF üretir, fakat bu durum hava kabarcığı 13 gecikme nedeniyle, düşük ısı akısı daha düşük bir HTC verir.
Hibrid yapıları nedeniyle hidrofobiklik ve hidrofiliklik 14, 15, 16 kombine etkisine tüm ısı kaplama için ısı transferini kaynayan dikkate değer bir artışı göstermektedir. Hsu ve ark. PE kaplama Si kaplamak suretiyle üretilen heterojen ıslatılabilir bir yüzey maskeli bakır yüzeyi üzerinde nano-tanecikleriyle. Bunlar kaplama süresi değiştirilerek farklı ıslanabilirlik oranlarını sağladı. kaynama başlangıcı saat göre heterojen yüzeylerde daha önce meydana gelenesas itibariyle bir duvar düşük omogeneous yüzey 17, aşırı ısıtma. Jo ve diğ. Hidrofilik, hidrofobik, ve heterojen ıslatma yüzeylerinde çekirdek kaynama ısı transferi çalışmalarını gerçekleştirdik. Heterojen ıslatma yüzeyi hidrofilik yüzeye hidrofobik desenli noktalar oluşmuştur. Daha yüksek HTCs ve hidrofilik yüzey ile karşılaştırıldığında, heterojen yüzeyi aynı CHF var. Isı transferini kaynayan bir gelişme, doğrudan yüzeye ve kaynama koşulları 18 üzerine noktalar sayısına bağlıdır.
Bu çalışmada, eksenel hibrid ıslatılabilir desenler daldırma kaplama tekniği kullanılarak silindirik bakır yüzeyi üzerinde üretilmiştir. Havuz kaynama noktalı bir ısı-transfer çalışmaları fugalara sayısı ve hibrid ıslatılabilir modelinin yönüne etkilerini belirlemek için deneyler yapılmıştır. Kaynama ısı akısı, HTC ve balon dinamikleri Tüm kaplanmış alt tabakalar ve biz için analiz edildiBakır alt-tabaka ile karşılaştırıldığında, yeniden.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
Modifiye Yüzeylerin hazırlanması 1.
- El ile bir # 2000 zımpara kullanılarak 15 dakika boyunca test parçası (içi boş bakır silindir 40 mm uzunlukta (I), 25 mm dış çap (d o), ve bir 18 mm iç çapa (D)) cila kağıt. DI su takiben aseton ile durulayarak cilalı yüzeyi temizleyin.
- 120 ° C'lik sabit bir sıcaklıkta, 2 saat için bir fırın içinde cilalı test parçası yerleştirin.
- Aşağıdaki aşamaları kullanarak bir süperhidrofilik SİO2 nanopartikül çözeltisi hazırlayın.
- tetraetoksi silan ve Dİ suyu 4 mol oranları: 1 karıştırılarak çözelti A hazırlayın. % 37 2 damla solüsyon A'ya konsantre HCI ve 2 saat süreyle karışmaya ekleyin.
- etanol ve deiyonize suda 3 molar oranı: 1 karıştırılarak çözelti B olun.
- Çözelti B, 80 mL çözelti A 1 mL karıştırın ve 2 saat boyunca karıştırın.
- Hazırlanan Solu SİO2 nanopartiküller (40 nm çapında) 32 g ekleme1 saat boyunca tion ve karıştırma.
- 5 mm / dk'lık bir hızda daldırma kaplama düzeneği kullanılarak hazırlanan çözelti içinde test parçası bırakın. 1 saat boyunca 120 ° C de bir fırında kaplanmış test parçası tutun.
- Aşağıdaki adımları kullanarak (Şekil 1 'de gösterildiği gibi), eksenel yönde, farklı yönelimler, 2, 4 ve 8 interlined hibrid desen hazırlayın.
- merkezi ve PE kaplama alanı kaplanacak (bölge) üzerine en INTERLINES ayarlamak alanı Maske 0 ° 'lik yönelimde 2-interline yüzey için doğru bir yönelimde ile (fugalara gerekli sayıda uygun yalıtım bandı kullanarak kaplanmamış olması üst kısım. diğer yandan, 90 ° yönlendirme için, alt ve üst bir de bir satırlar arası ayarlayın ve 180 ° yönlendirme için, PE kaplama altındaki alan ve merkezde INTERLINES ayarlayın. Benzer şekilde, ayarlamak farklı o ile 4, 8 interlined yüzeylerin pozisyonrientation olarak, Şekil 1 'de gösterilmektedir).
- 5 mm / dakika yavaş hızda, yüksek daldırma hız ve artış bir daldırma kaplama aparatı, daldırma kullanılarak hazırlanan çözelti içinde maskeli test parçası bırakın. 1 saat boyunca 120 ° C de bir fırında kaplanmış test parçası tutun.
- Uygun bir yönlendirme ile fugalara gerekli sayıda elde etmek için maskelenmiş alandan bandı çıkarın.
Şekil 1. Çeşitli Interlined Yüzeylerin seçilmesi. değişik konumları bulunan çeşitli interlined yüzeyler (a) şematik. Tüm koşullar, 1: düz bir bakır yüzeyi ve bir PE kaplama yüzeyinin alanı oranı 1'dir. (b) Yönlendirme seçim kriterleri. (c) 2 interline 0 ° açı bakan yüzeyi izometrik görünüşüdür. Yönlendirme taban ve kaplama arasındaki açı olarak seçilir:Merkezi üst taraftan birinci hidrofilik Desenin hattı ve bir saat yönünde ölçülür. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.
2. Deneysel Prosedür
- izolasyon bandı kullanılarak kaplanmış test parçasının her bir dairesel taban az bir cam tüp düzeltin.
- Fugalara gerekli konumuna göre, silikon macunu kullanılarak (Şekil 2'de gösterildiği gibi) yatay 140- x 140- x 160 mm bölmesine bu montaj grubunu sabitleme.
- 550 W, 18 mm'lik bir çapa ve test parçasının deliğe çevresel alanı üzerinde termal macun, ince bir film ile, 40 mm uzunluğundaki kartuş ısıtıcısını yerleştirin.
- Bir doğru akım (DC) güç kaynağı ünitesine kartuş ısıtıcı bağlayın.
- Şekilde gösterildiği gibi, 5 mm, 7 mm alternatif derinliğine sahip 8 eşit aralıklı 1 mm delikler içine yerleştirin T türü termokupl3 veri kaydedici onları bağlayın.
- Üst kapak üzerinde temin mekanlarda (RTD), bir geri akış kondansatörü ve bir yardımcı ısıtıcı yerleştirin ve direnç sıcaklık dedektörü düzeltin. Kaynar odasının üzerine bunları düzelt.
- havuz kaynama odası içine Dİ suyu 1.400 mL doldurun.
- 5 ° C 'de muhafaza edilen bir soğutma bölmesine geri akış kondansatörü bağlayın.
- Önceki deneyden, kuvvetli bir şekilde yardımcı ısıtıcı kullanılarak 30 dakika boyunca havuz kaynama odası içinde distile su kaynatın.
- Yardımcı ısıtıcı kullanarak, doymuş, kaynama koşullarında distile su tutun. Daha sonra, güç kaynağı geçiş ve 0.1 A bir ilk akım vermek
- kararlı bir duruma ulaşması için 2 dakika bekleyin. Daha sonra, 0.3 A artışlarla elektrik akımını artırmak
- veri kaydedici kullanarak her bir güç girişindeki sıcaklık kaydedilir. 4 A maksimum akım ulaşılana kadar deney devam edin. Bu arada, kabarcık dinamiği f kayıt ya da bir CCD kamera ile her bir güç girişi test parçası üzerinde odaklanmıştır havuz kaynama odası, önüne yerleştirilir.
Havuz kaynatma Odası Şekil 2. Şematik. Cam tüpler, silikon macun ile, içi boş, bakır silindirin her iki tarafına bağlanır. Bu silikon macun ile havuz kaynar odasına sabittir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.
3. Termokupl Konumlandırma Şekil. 8 termokupl 20 mm'lik bir çap test parçası yerinde çevresel 1 mm çaplı delikli içine yerleştirilir. Alternatif 1 mm çapında delikleri derinlikleri 5 mm ve sırasıyla 7 mm sabitlenir./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayın.
3. Veri İndirgeme
- Aşağıdaki denklem 19 kullanılarak ısı girişi (S) hesaplayın
S = I-V (1)
Not: I ve V sırasıyla amper giriş akımı ve volt gerilim vardır. - Formül 19 ile iki yan yüzeylerden ısı kaybının (S kaybı) tahmin edilmesi:
(2)
Not: k bakırın ısıl iletkenliği; T 7 mm ve T, 5 mm, 7 mm ve sırasıyla 5 mm derinliğe kadar sıcaklığın ortalama değerlerdir; Ax (2 mm) derinlikleri arasındaki farktır; ve
Test p enine kesit alanıdır IECE. - Aşağıdaki formül 19 kullanılarak (q '), ısı akışının belirlenmesi:
(3)
Not: A = π d t l, test parçasının çevresel bir alandır. - Aşağıdaki denklem 19 kullanarak duvar süper ısısını (hesaplayın:
(4)
Not: Tm T 7 mm ve T, 5 mm ortalama, test parçası, RO (12,5 mm) test parçasının dış yarıçapı r m (10 mm) test parçasının yarıçapı uzunluğudur Şekil 4'te gösterildiği gibi, delik ölçme ve T doymuş DI su doyma sıcaklığıdır. - Aşağıdaki formül 19 kullanılarak HTC (α) hesaplayın:
celle / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)
Duvar Sıcaklık Analiz Şekil 4. şematik. Duvar sıcaklığı ölçülen ortalama sıcaklığını ve bilinen silindirik ısı direnci kullanılarak hesaplanır. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
Havuz kaynama noktalı bir ısı-transfer deneyleri şeması Şekil 5'te gösterilmektedir deney düzeneği kullanılarak bir melez ıslatılabilir silindirik yüzeyi üzerinde gerçekleştirilmiştir. fugalara sayısı ve havuz kaynama performansı üzerinde melez ıslatılabilir desenin oryantasyonu etkisinin araştırılması sırasında havuz kaynama deneysel prosedür protokolü bölümünün aşama 2'de açıklandığı başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. duvar kızdırma karşı ısı akışı ve ı...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu araştırmanın temel amacı, protokol bölümünde açıklandığı gibi hibrit ıslatılabilir yüzeyi tanıtarak nükleer reaktörler, kazanlar ve ısı boruları gibi yüksek ısı dağılımı uygulamaları için havuzda kaynayan bir ısı emici geliştirmekti. Bu yüzeyler, homojen ıslanabilir yüzeylerden (hidrofilik ve hidrofobik) daha iyi havuz kaynatma performansları üretebilir. Kaynama ısısı transfer performansındaki iyileşme, aktif çekirdeklenme bölgelerindeki artıştan ve oluşan kabarcıkların yüzeyden kolayca ayrılmasından kaynaklanmaktadır...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarlar, rekabet eden hiçbir finansal çıkarları olmadığını beyan ederler.
Teşekkürler
Yazarlar, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, MOST'un fon desteğini minnetle kabul ederler (proje numaraları: 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 ve MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Deiyonize su | |||
| Silika nanopowder, 40 nm | UniRegion Bio-Tech | 60676860 | |
| Etanol | ECHO Chemical co., Ltd, | 64175 | |
| Hidroklorik asit | SHOWA Chemical co., Ltd. | ||
| Tetraetoksisilan | SHOWA Chemical co., Ltd. | 78104 | |
| Aseton | UNI-İLERİ CORP. | 67641 | |
| Kartuş Isıtıcı | Chung Shun Isıtıcı & Enstrüman Co, Ltd | ||
| Pyrex bardağı | Otomotiv Cam servisi, Tayvan | ||
| Sıradan sertleştirilmiş cam | Otomotiv Cam servisi, Tayvan | ||
| Termal macun | Electrolube | EG-30 | |
| İzolasyon Bandı | Chuan Chi Trading Co., Ltd, | Kapton Bant Zımpara Kağıdı | |
| Chuan Chi Trading Co., Ltd | # 2000 | ||
| Isıtma fırını | Chung Chuan | Hong Sen HS-101 | |
| Elektronik teraziler, | A & D co. Ltd | GX400 | |
| Ultrasonik temizleyici | Bransonic | Bransonic 3510 | |
| Mıknatıs karıştırıcı | Sarı çizgi | MST D S1 | |
| Veri kaydedici ve nbsp; | Yokogawa | MX-100 | |
| CCD kamera | JVC | LY35862-001A | |
| Silikon macun | Permatex | 599BR | |
| Güç kaynağı | Gwinstek | GPR-20H50D | |
| Teflon bant | Chuan Chi Trading Co., Ltd | CS170000 | |
| Temas Açısı Gonyometre | Sindatek | Model 100SB | |
| Yardımcı Isıtıcı | Chuan Chi Trading Co., Ltd | ||
| T-tipi termokupllar | Chuan Chi Trading Co., Ltd | ||
| Reflü Kondenser | Chuan Chi Trading Co., Ltd | ||
| Cam elyaf | Profesyonel Plastik, Tayvan |
Kaynaklar
- 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).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
