Бассейн-Кипение теплопередающие Enhancement на цилиндрических поверхностях с Гибридным смачиваемых Patterns
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.
Abstract
In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern. Hybrid wettable patterns were produced by coating superhydrophilic SiO2 on a masked, hydrophobic, cylindrical copper surface. Using de-ionized (DI) water as the working fluid, pool-boiling heat-transfer studies were conducted on the different surface-treated copper cylinders of a 25-mm diameter and a 40-mm length. The experimental results showed that the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern influenced the wall superheat and the HTC. By increasing the number of interlines, the HTC was enhanced when compared to the plain surface. Images obtained from the charge-coupled device (CCD) camera indicated that more bubbles formed on the interlines as compared to other parts. The hybrid wettable pattern with the lowermost section being hydrophobic gave the best heat-transfer coefficient (HTC). The experimental results indicated that the bubble dynamics of the surface is an important factor that determines the nucleate boiling.
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 </sup>.
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
The main goal of this investigation was to develop a pool-boiling heat sink for high heat dissipation applications, such as nuclear reactors, boilers, and heat pipes, by introducing the hybrid wettable surface, as described in the protocol section. These surfaces can produce better pool-boiling performances than homogeneous wettable surfaces (hydrophilic and hydrophobic). The improvement in the boiling heat-transfer performance is due to an increase in active nucleation sites and the easy detachment of the formed bubbles…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge funding support from the Ministry of Science and Technology, MOST (project numbers: 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, and MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3).
Materials
| Deionized water | |||
| Silica nanopowder,40nm | 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. , (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, 303-309 (1994).
- Holman, J. P. . Experimental Methods for Engineers. , (2007).
