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Engineering

Piscine d'ébullition Amélioration de transfert de chaleur sur des surfaces cylindriques avec des modèles hybrides mouillables

Published: April 10, 2017 doi: 10.3791/55387
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University
* These authors contributed equally

Summary

Des expériences de transfert de chaleur-piscine à point d'ébullition ont été pour observer les effets des modèles hybrides mouillable sur le coefficient de transfert de chaleur (HTC). Les paramètres de recherche sont le nombre d'interlignes et l'orientation du motif de la surface mouillable modifiée.

Introduction

Un système de maintien de flux de chaleur élevé fournissant de refroidissement dans la plage de 10 à 10 mai W / cm 2 est requise dans les domaines émergents de l' électronique, de la défense, de l' avionique, et le développement de l' appareil nucléaire. refroidissement classique avec de l'air est insuffisante pour ces applications en raison du faible coefficient de transfert de chaleur (HTC) pour les deux conditions free- et à convection forcée. Les techniques de refroidissement à base de changement de phase, tels que l' ébullition de la piscine et le débit d' ébullition, sont suffisamment bons pour enlever des flux de chaleur élevés de l'ordre de 10 - 1 000 W / cm 2 1. Etant donné que le processus de transfert de chaleur à deux phases est isotherme, la température du dispositif refroidi est pratiquement constante sur toute sa surface. En raison de la variation négligeable de la température le long de la surface, le choc thermique du dispositif peut être éliminé. Cependant, le principal paramètre limitant à point d' ébullition de transfert de chaleur est le flux de chaleur critique (CHF), ce qui provoque une élévation anormale de température 2

Au cours des dernières décennies, des recherches approfondies ont été menées pour améliorer la CHF à l'aide d'une modification de surface, nanofluides et revêtements de surface 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Parmi les différentes méthodes, les revêtements de surface se trouvent être la meilleure méthode pour améliorer la CHF en raison de l'augmentation substantielle de la surface. Les revêtements de surface augmentent généralement le transfert de chaleur par l' action des nageoires, des effets de la porosité, et la mouillabilité de la surface 12. mouillabilité de surface joue un rôle important dans l'ébullition de transfert de chaleur. Des études antérieures montrent que, à la baisse des conditions de flux de chaleur, la surface hydrophobe montre mieux HTC en raison de la nucléation précoce. Cependant, àle flux de chaleur plus élevé, le détachement des bulles formées est lente en raison de la faible affinité de l'eau vers la surface. Cela conduit à la coalescence des bulles et se traduit par une faible CHF 3. D'autre part, une surface hydrophile produit une CHF en hausse, en raison du détachement rapide des bulles formées, mais il donne un HTC plus faible à faible flux de chaleur, en raison du retard dans la nucléation des bulles 13.

Les structures hybrides montrent une amélioration remarquable dans l' ébullition de transfert thermique pour tous les flux de chaleur due à l'effet combiné d'hydrophobicité et d' hydrophilicité 14, 15, 16. Hsu et al. produit hétérogène surface mouillable par revêtement superhydrophile Si nanoparticules sur une surface de cuivre masquée. Ils ont obtenu des rapports de mouillabilité en faisant varier le temps de revêtement. Le début de l'ébullition a eu lieu plus tôt sur les surfaces hétérogènes par rapport à l'homogeneous surface, ce qui réduit sensiblement la paroi 17 de surchauffe. Jo et al. -mené des études de transfert de chaleur d'ébullition nucléée sur les surfaces de mouillage hydrophiles, hydrophobes, et hétérogènes. La surface de mouillage hétérogène est composée de points à motifs hydrophobes sur la surface hydrophile. Ils ont obtenu les CTH plus élevés et la même CHF pour la surface hétérogène par rapport à la surface hydrophile. Une amélioration de l' ébullition de transfert de chaleur dépend directement du nombre de points sur la surface et sur les conditions d'ébullition 18.

Dans cette étude, les modèles hybrides mouillables axiales ont été produites sur une surface de cuivre cylindrique en utilisant la technique de revêtement par immersion. Des études de transfert de chaleur piscine d'ébullition ont été réalisées pour déterminer les effets du nombre de interlignes et de l'orientation du motif mouillable hybride. Ébullition flux de chaleur, HTC, et la dynamique des bulles ont été analysés pour les substrats revêtus et nous tousre par rapport au substrat en cuivre.

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Protocol

1. Préparation des surfaces modifiées

  1. Polir manuellement la pièce de test (cylindre creux en cuivre avec une longueur de 40 mm (L), un diamètre extérieur (d o), et un diamètre intérieur de 18 mm (d i) de 25 mm) pendant 15 min en utilisant un émeri # 2000 papier. Nettoyer la surface polie en le rinçant avec de l'acétone puis de l'eau DI.
  2. Placer l'éprouvette polie dans un four pendant 2 heures à une température constante de 120 ° C.
  3. Préparer une solution de nanoparticules superhydrophile SiO 2 en procédant comme suit.
    1. Préparer la solution A en mélangeant 1: 4 des rapports molaires de tétraéthoxysilane et de l'eau DI. Ajouter 2 gouttes de 37% de HCl concentré à la solution A et remuer pendant 2 h.
    2. Ajouter la solution B en mélangeant un mélange 1: 3 le rapport molaire de l'éthanol et de l'eau DI.
    3. Mélanger 1 mL de solution A à 80 ml de solution B et on agite pendant 2 h.
    4. Ajouter 32 g de nanoparticules de SiO 2 (diamètre 40 nm) à la solu préparéetion et agitation pendant 1 h.
  4. Immerger la pièce d'essai dans la solution préparée à l'aide de l'appareil de revêtement par immersion à une vitesse de 5 mm / min. Garder la pièce d'essai revêtu dans un four à 120 ° C pendant 1 h.
  5. Préparer 2, 4 et 8 motifs hybrides interlignés avec des orientations différentes le long de la direction axiale (comme représenté sur la figure 1) en utilisant les étapes suivantes.
    1. Masque la zone à être non enrobés en utilisant la bande d'isolation en fonction du nombre requis de interlignes avec l'orientation appropriée (pour la surface 2-interlignes à une orientation de 0 °, ajuster interlignes au centre et la zone superhydrophile (zone à revêtir) sur le côté supérieur. D'autre part, pour l'orientation de 90 °, régler une interligne vers le haut et l'autre en bas et de l'orientation à 180 °, de régler la zone superhydrophile au fond et les interlignes au centre. de même, ajuster le position des 4, 8 surfaces interlignés avec les différents orientation comme représenté sur la figure 1).
    2. Immerger l'éprouvette masqué dans la solution préparée en utilisant un appareil de revêtement par immersion, trempage à une vitesse élevée d'immersion et de l'élévation à une vitesse lente de 5 mm / min. Garder la pièce d'essai revêtu dans un four à 120 ° C pendant 1 h.
    3. Retirer le ruban isolant à partir de la zone masquée pour obtenir le nombre requis d'interlignes avec l'orientation correcte.

Figure 1
Figure 1. Sélection des divers interchange Surfaces. (a) Schéma de différentes surfaces interchange avec des orientations différentes. Le rapport de surface d'une surface de cuivre brut et une surface superhydrophile est de 1: 1 dans toutes les conditions. (b) Orientation des critères de sélection. (c) de la vue isométrique de la surface orientée vers 2 interlignes 0 ° d'angle. L'orientation est sélectionné en tant que l'angle entre la ligne de base et le revêtementligne médiane du premier motif hydrophile de la partie supérieure et il est mesuré dans le sens des aiguilles d'une montre. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

2. Procédure expérimentale

  1. Utilisation de la bande d'isolation, fixer un tube de verre au niveau de chaque base circulaire de la pièce d'essai revêtue.
  2. Fixer horizontalement cet ensemble à l'140- 140- x x chambre de 160 mm (voir figure 2) en utilisant la pâte de silicone selon la position requise de interlignes.
  3. Placer un 550-W, diamètre de 18 mm, et 40 mm de long cartouche chauffante avec un film mince de pâte thermique sur la zone périphérique dans le trou de la pièce de test.
  4. Raccorder la cartouche chauffante à une unité d'alimentation en courant continu (CC).
  5. Lieu thermocouples de type T dans les 8 également espacés des trous de 1 mm, avec des profondeurs alternées de 5 mm et 7 mm , comme illustré sur la figure3 Branchez -les à l'enregistreur de données.
  6. Introduire et fixer des détecteurs de température à résistance (RTD), d'un condenseur à reflux et d'un dispositif de chauffage auxiliaire dans les espaces prévus sur le couvercle supérieur. les fixer sur la chambre d'ébullition.
  7. Remplir 1400 ml d'eau DI dans la chambre de piscine à point d'ébullition.
  8. Connecter le condenseur à reflux à une chambre de refroidissement qui est maintenu à 5 ° C.
  9. Avant l'expérience, faire bouillir énergiquement l'eau DI dans la chambre de piscine à point d'ébullition pendant 30 minutes en utilisant l'appareil de chauffage auxiliaire.
  10. Garder l'eau DI à l'état saturé d'ébullition à l'aide de l'appareil de chauffage auxiliaire. Par la suite, mettre en marche la source d'alimentation et donner un courant initial de 0,1 A.
  11. Attendre pendant 2 min afin d'atteindre un état stable. Ensuite, augmenter le courant électrique avec des incréments de 0,3 A.
  12. Enregistrer la température au niveau de chaque entrée de puissance à l'aide de l'enregistreur de données. Poursuivre l'expérience jusqu'à atteindre un courant maximum de 4 A. Pendant ce temps, enregistrer la dynamique des bulles f ou chaque entrée d'alimentation en utilisant une caméra CCD placé en face de la chambre de réservoir d'ébullition, qui est focalisé sur la pièce d'essai.

Figure 2
Figure 2. Schéma de la Chambre Pool-bouillante. Tubes en verre sont reliées aux deux côtés du cylindre creux en cuivre avec de la pâte de silicium. Ceci est fixé à la chambre de piscine à point d'ébullition avec de la pâte de silicium. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure 3
Figure 3. Positionnement Thermocouple. 8 thermocouples sont placés à l'intérieur des trous circonférentiellement de 1 mm de diamètre à l'endroit de la pièce d'essai à un diamètre de 20 mm. Les profondeurs des trous d'un diamètre de 1 mm alternées sont fixés à 5 mm et 7 mm respectivement./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg » target = « _ blank »> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

3. Réduction des données

  1. Calculer à l'aide de l'équation suivante 19 l'apport de chaleur (Q)
    Q = I V (1)
    REMARQUE: I et V sont le courant d'entrée en ampères et la tension en volts, respectivement.
  2. Estimer la perte de chaleur (perte Q) à partir des deux surfaces latérales en utilisant la formule 19:
    L'équation 2 (2)
    NOTE: k est la conductivité thermique du cuivre; T 7 et T mm 5 mm sont les valeurs moyennes de la température à une profondeur de 7 mm et 5 mm, respectivement; Dx (2 mm) est la différence entre les profondeurs; et
    L'équation 2B est la surface en coupe transversale de l'essai p IECE.
  3. Déterminer le flux de chaleur (q « ») à l'aide de la formule suivante 19:
    L'équation 3 (3)
    NOTE: A = π o d l est la zone circonférentielle de la pièce d'essai.
  4. Calculer la surchauffe de la paroi ( en utilisant l'équation suivante 19:
    L'équation 4 (4)
    NOTE: T m est la moyenne de T 7 mm et T 5 mm, est la longueur de l'éprouvette, r o (12,5 mm) de rayon extérieur de l'éprouvette, r m (10 mm) Rayon de la pièce d'essai à la la mesure de trous, et T sat est la température de saturation de l' eau DI , comme indiqué sur la figure 4.
  5. Calculer la HTC (α) en utilisant la formule suivante 19:
    pload / 55387 / 55387eq5.jpg »/> (5)

Figure 4
Figure 4. Schéma du mur Analyse de la température. température de la paroi est calculée en utilisant la température moyenne mesurée et connue résistance thermique cylindrique. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Representative Results

Expériences de transfert de chaleur extérieure à point d' ébullition ont été réalisées sur une surface cylindrique mouillable hybride à l' aide du dispositif expérimental dont le schéma est représenté sur la figure 5. La procédure expérimentale piscine à point d'ébullition expliqué à l'étape 2 de la section de protocole a été effectuée avec succès tout en étudiant l'effet du nombre de interlignes et de l'orientation du motif mouillable hybride sur la performance de la piscine à point d'ébullition. Les performances de la piscine d'ébullition des différentes surfaces traitées étaient représentées en termes de graphiques: le flux de chaleur par rapport au mur et Surchauffe le HTC par rapport au flux de chaleur.

Afin de valider le dispositif expérimental, piscine transfert de chaleur d' ébullition expérimentaux résultats de la surface du cuivre brut ont été comparés avec la corrélation théorique prédite par Cornwell et Houston en 1994 20, comme représenté sur les equati suivantessur:

L'équation 6 (6)

où N u est le nombre de Nusselt; A = 9.7p c 0,5, avec p c = 221,2 bar; F (p) = r 1.8p 0,17 + 4p r 1,2 + 10p r 10, r = p avec p / p c et p = 1,013 bar; Re b est le nombre de Reynolds ébullition calculé en utilisant l' équation 7, et Pr est le nombre de Prandtl.

L'équation 7 (7)

où q « » est le flux de chaleur, D est le diamètre extérieur de la pièce de test, u f est la dynviscosité amique, et h fg est la chaleur latente de vaporisation à la température de saturation.
Le nombre de Nusselt expérimental est calculé en utilisant l'équation suivante:

L'équation 8 (8)

où α est le HTC et k f est la conductivité thermique du fluide de travail.

La figure 6 montre le graphique de validation. Le nombre Nusselt expérimental est presque le même que la corrélation théorique Nusselt pour un nombre de Reynolds particulier.

Incertitude expérimentale dans le flux de chaleur calculé, la chaleur de super-mur et le HTC ont été calculées en utilisant la méthode Kline et McClintn 21. ONUcertitude dans le flux de chaleur, le mur et la chaleur super HTC ont été estimés dans la plage de ± 15,3%, ± 1,7%, ± 15,5% respectivement.

Figure 5
Figure 5. Schéma du dispositif expérimental. Le dispositif expérimental utilisé pour étudier les performances de la piscine à point d'ébullition. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6. Validation de l'installation expérimentale. Une comparaison entre les résultats actuels et la corrélation rapportée par Cornwell et Houston 16 dans une échelle logarithmique. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. >

La figure 7 (a) montre des courbes de la piscine à point d' ébullition de la surface de cuivre brut, une surface entièrement superhydrophile et des surfaces hybrides avec différents nombres de interlignes à un 0 o orientation. La courbe de la piscine à point d'ébullition a été obtenue en traçant la courbe du flux de chaleur en fonction de la surchauffe de la paroi. La surchauffe de flux de chaleur et la paroi ont été calculées en utilisant les équations 3 et 4, respectivement. Un décalage vers la gauche dans la courbe piscine à point d'ébullition a été obtenue pour la surface 8-interligne, tandis que les surfaces interlignes 4 2- et ont montré des valeurs à peu près similaires. La figure 7 (b) montre le graphique de la HTC par rapport au flux de chaleur des surfaces différentes. Le HTC est calculée en utilisant l' équation 5. Les CTH de surfaces différentes ont été comparées, et la surface 8-interlignes ont montré la plus forte valeur, tandis que la surface superhydrophile homogène a montré la valeur la plus faible.

ve_content » fo: keep-together.within-page = « 1 »> sites de nucléation de bulles de différentes surfaces ont été enregistrées en utilisant une caméra CCD La figure 8 indique que le nombre de bulles sur la surface entièrement superhydrophile est le plus bas, et avec un. augmentation du nombre de interlignes, les bulles ont également été trouvés à augmenter.

La performance du bassin d'ébullition de l' acide 2-, 4-, et les surfaces 8-entredoublé et avec des orientations différentes sont représentées sur les figures 9 et 10. Par rapport à la courbe de la piscine à point d'ébullition de l'orientation de 0 °, l'orientation 180 ° a montré un déplacement vers la droite. Dans le cas de surfaces 2-interlined avec différents degrés d'orientation angulaire, l'orientation de 0 ° a montré une meilleure performance d'ébullition. 4 et les surfaces 8-interlignés ont donné leur valorisation maximale à des orientations de 90 ° et 45 °, respectivement. Dans ces cas, les positions de la surface superhydrophiles étaient juste au-dessus des plus basses interlignes. La figure 11 montre les meilleures performances piscine d'ébullition de différentes interlignes. Avec une augmentation du nombre interlignes, CTH se trouvent à améliorer.

Figure 7
Figure 7. Les résultats de la piscine à point d' ébullition à une orientation de 0 °. (a) Courbes d' ébullition pour les différentes surfaces. (b) Le graphique du HTC par rapport au flux de chaleur. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8. Photographies de nucléation de bulles. (a) surface plaine. (b) surface superhydrophile. (c) 2-interlined surface.(d) 4-interlined surface. (e) 8-interlined surface. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9
Figure 9. Effet de l' orientation sur la courbe de la piscine à point d' ébullition. Piscine courbes à point d' ébullition de (a) une surface de 2-interlined, (b) une surface 4-interlined, et (c) une surface 8-interlined avec des orientations différentes. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 10
Figure 10. Effet d'orientation sur le HTC par rapport à l'ilau flux. Le HTC contre le graphe de flux de chaleur de (a) une surface de 2-interlined, (b) une surface de 4-interlined, et (c) une surface 8-interlined avec des orientations différentes. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 11
Figure 11. Comparaison des meilleures performances piscine à point d' ébullition. (a) Courbes d' ébullition pour les différentes surfaces. (b) Le graphique du HTC d'ébullition par rapport au flux de chaleur. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Deionized water
Silica nanopowder,40 nm UniRegion Bio-Tech 60676860
Ethanol ECHO Chemical co. Ltd 64175
Hydrochloric acid SHOWA Chemical co. Ltd. 7647010
Tetraethoxysilane SHOWA Chemical co. Ltd. 78104
Acetone UNI-ONWARD CORP. 67641
Cartridge Heater Chung Shun Heater & Instrument Co, Ltd.
Pyrex glass  Automotive Glass service , Taiwan
Ordinary toughened glass Automotive Glass service , Taiwan
Thermal paste Electrolube EG-30 
Insulation Tape Chuan Chi Trading Co. Ltd Kapton Tape
Sandpaper Chuan Chi Trading Co. Ltd #2000
Heating furnace Chung Chuan Hong Sen HS-101
Electronic scales A&D co. Ltd GX400
Ultrasonic cleaner Bransonic Bransonic 3510
Magnet stirrer Yellow line MST D S1
Data logger  Yokogawa MX-100
CCD camera JVC LY35862-001A
Silicon paste Permatex 599BR
Power supply Gwinstek GPR-20H50D
Teflon tape  Chuan Chi Trading Co. Ltd CS170000
Contact Angle Goniometer Sindatek Model 100SB
Auxiliary Heater Chuan Chi Trading Co. Ltd
T- type thermocouples Chuan Chi Trading Co. Ltd
Reflux Condenser  Chuan Chi Trading Co. Ltd
Fiber glass Professional Plastics, Taiwan

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References

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