Summary
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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)
(2) 
площадь поперечного сечения испытуемого р IECE. 
(3) 
(4) 
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 характеристики различных обработанные поверхностей в терминах графов: тепловой поток по отношению к перегреву стенки и HTC по отношению к потоку тепла.
Для того чтобы проверить экспериментальную установку, бассейн кипячения экспериментальных результатов теплопередачи обычной медной поверхности были сопоставлены с теоретической корреляцией предсказанного Корнуэллом и Хьюстоном в 1994 году 20, как показан в следующих equatiна:
(6)
где Н у есть число Нуссельта; А = 9.7p с 0,5, при р с = 221,2 бар; Р (р) = 1.8p г 0,17 г + 4p 1,2 + 10p г 10, при р г = р / р с и р = 1,013 бар; Re Ь кипение число Рейнольдса вычисляется с помощью уравнения 7, а Рг число Прандтля.
(7)
где Q «» представляет собой поток тепла, D представляет собой наружный диаметр испытуемого образца, ц е является динAMIC вязкость и ч фг скрытая теплота парообразования при температуре насыщения.
Экспериментальное число Нуссельта вычисляется с использованием следующего уравнения:
(8)
где α является HTC и K F является теплопроводность рабочей жидкости.
На фиг.6 показан график проверки. Экспериментальный Нуссельт почти такие же, как теоретическая корреляция число Нуссельта для определенного числа Рейнольдса.
Экспериментальная неопределенность в вычисленного теплового потока, стена супер тепла и HTC были рассчитаны с использованием Клайн и McClintn метод 21. ООНопределенность в тепловом потоке, стена супер жара и HTC были оценены в диапазоне ± 15,3%, ± 1,7%, ± 15,5% соответственно.
Рисунок 5. Схема экспериментальной установки. Экспериментальная установка для исследования бассейна кипения выступления. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6. Проверка экспериментальной установки. Сравнение между результатами нынешними и корреляцией , о которых сообщает Корнуэлл и Хьюстон 16 в логарифмическом масштабе. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. >
На фиг.7 (а) показаны бассейн кипения кривых обычной медной поверхности, полностью superhydrophilic поверхность, а также гибридные поверхности с различным числом interlines при 0 о в ориентации. Кривая бассейна кипения было получен путем построения графика теплового потока по отношению к перегреву стенки. Теплового потока и перегрев стенки были рассчитаны с помощью уравнений 3 и 4, соответственно. Сдвига влево на кривой бассейна кипения была получена 8-интерлайн поверхности, в то время как 2- и 4-интерлайн поверхности показали почти одинаковые значения. На рисунке 7 (б) показывает график HTC по сравнению с тепловым потоком различных поверхностей. HTC вычисляется с помощью уравнения 5. Проведено сравнение ЦЛГА различных поверхностей, а также 8-строчным поверхность показала самое высокое значение, тогда как однородная superhydrophilic поверхность показала самое низкое значение.
ve_content»ВОК: держать-together.within-страницу =„1“> Пузырь нуклеации сайты различных поверхностей были записаны с помощью ПЗС - камеры Рисунок 8 показывает , что количество пузырьков на поверхности полностью superhydrophilic является самым низким, и с. увеличение числа interlines, пузырьки были обнаружены также увеличиваться.Производительность бассейна кипения 2-, 4- и 8-interlined поверхности и с различной ориентацией показаны на фигурах 9 и 10. По сравнению с температурой кипения бассейна кривой ориентации 0 ° в, 180 ° ориентации показала сдвиг вправо. В случае 2-interlined поверхностей с различной степенью угловой ориентации, ориентация 0 ° показала лучший кипящую производительность. 4- и 8-interlined поверхности дали свое максимальное усиление при ориентации 90 ° и 45 °, соответственно. В этих случаях позиция superhydrophilic поверхностиы были чуть выше самых нижних interlines. Рисунок 11 показывает лучшее бассейн кипение выступления различных interlines. С увеличением числа интерлайн, что HTCs найдены улучшить.
Рисунок 7. Бассейн кипения производительности при 0 ° ориентации. (а) Кипение кривые для различных поверхностей. (б) График зависимости HTC по сравнению с тепловым потоком. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 8. Фотографии пузырей. (а) Обычная поверхность. (б) Superhydrophilic поверхность. (с) 2-interlined поверхность.(д) 4-interlined поверхность. (е) 8-interlined поверхность. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 9. Влияние ориентации на кривом бассейн кипения. Бассейн кипящих кривые (а) 2-interlined поверхности, (б) 4-interlined поверхности, и (с) 8-interlined поверхности с различной ориентацией. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 10. Влияние ориентации на HTC по сравнению с егопри движении. HTC по сравнению с графиком теплового потока из (а) 2-interlined поверхности, (б) 4-interlined поверхность, и (с) 8-interlined поверхность с различной ориентацией. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 11. Сравнение лучших бассейна кипения выступлений. (а) Кипение кривые для различных поверхностей. (б) График кипения HTC по отношению к потоку тепла. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- 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).
