ברכת רותחים חום-העברת שיפור על גלילי משטחים עם דפוסי רטיבים היברידיים
Summary
ברכה-רותחים חומים-העברת ניסויים בוצעו כדי לבחון את ההשפעות של דפוסי רטיבים היברידיים על מקדם העברת חום (HTC). הפרמטרים של חקירה הם מספר interlines ואת נטיית הדפוס של משטח רטיבים השונה.
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
אש גבוהה שטף מזין מערכת אספקת קירור בטווח של 10-10 5 W / סנטימטר 2 נדרש בתחומי המתעוררים של אלקטרוניקה, הגנה, אוויוניקה, ופיתוח מתקן גרעיני. קירור קונבנציונלי עם אוויר אינו מספיק עבור יישומים אלה בשל מקדם תרמי הנמוך (HTC) עבור שני תנאים חופשיים ואלצה-הסעה. טכניקות קירור השלב מבוסס השינוי, כגון רתיחת ברכה וזרימה רותחת, הם טובות מספיק כדי להסיר ונתיבים חומים גבוהים על סדר 10 – 1000 W / הסנטימטר 2 1. מאחר שתהליך שני שלבים-העברת חום הוא בידוד תרמי, טמפרטורת המכשיר המקוררת היא כמעט קבועה על פני השטח שלה. בשל הווריאציה הזניחה של הטמפרטורה על פני השטח, את ההלם התרמי של המכשיר יכול להתבטל. עם זאת, הפרמטר המגביל העיקרי רותח-העברת חום הוא שטף החום הקריטי (CHF), אשר גורם לעלייה חריגה בטמפרטורה 2 </sup>.
בעשורים האחרונים, מחקר מקיף בוצע כדי לשפר את CHF באמצעות שינוי פני שטח, nanofluids, וציפויי משטח 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. בין השיטות השונות, ציפויי שטח נמצאים להיות השיטה הטובה ביותר לשפר את CHF בשל הגידול הניכר פני השטח. ציפוי וציור בדרך כלל להגדיל את העברת החום על ידי פעולת סנפיר, תופעות נקבוביות, משטח יכולת רטיבות 12. יכולת רטיבות משטח משחק תפקיד משמעותי רותחים-העברת חום. מחקרים קודמים הראו כי בתנאים חומים-שטף תחתונים, את המשטח ההידרופובי מציג HTC טוב יותר בשל ההתגרענות מוקדם. עם זאת, בשטף חום גבוה, הניתוק של הבועות הנוצרות איטי בשל הזיקה הנמוכה של מים לכיוון המשטח. זה מוביל לגיבוש בועת התוצאה הוא נמוך 3 CHF. מצד השני, משטח הידרופילי מייצר CHF גבוה, בגלל הניתוק המהיר של בועות הנוצרות, אבל זה נותן HTC נמוך ב ונתיבים חומים נמוכים, בשל עיכוב התגרענות בועת 13.
המבנים ההיברידיים להראות שיפור מדהים רותח חומה-העברה ולתמיד והנתיבים החומים בשל ההשפעה המשולבת של הידרופוביות hydrophilicity 14, 15, 16. הסו ואח. משטח רטיבים הטרוגנית המיוצר על ידי ציפוי סופר-הידרופילי Si חלקיקים על משטח נחושת רעול פנים. הם השיגו יחסי יכולת רטיבות שונים על ידי שינוי זמן הציפוי. תחילתה של רתיחה התרחשה מוקדם יותר על משטחים הטרוגנית בהשוואה hמשטח omogeneous, אשר הקטין את הקיר באופן משמעותי superheat 17. ג'ו ואח. מחקרים שנערכו רותחים חומים-העברת nucleate על משטחי הרטבה הידרופילי, הידרופובי, ו הטרוגנית. משטח ההרטבה הטרוגנית שהורכב נקודות בדוגמת הידרופובי על המשטח הידרופילי. הם קיבלו HTCs גבוה ואותו פרנק שוויצרי עבור פני השטח הטרוגנית לעומת משטח הידרופילי. שיפור רותח-העברת חום תלוי ישירות על מספר הנקודות על פני השטח ועל תנאי הרתיחה 18.
במחקר זה, דפוסי רטיבים היברידיים ציריים יוצרו על משטח נחושת גלילי באמצעות טכניקת ציפוי לטבול. ברכה-רותח מחקרים חומים-העברה נערכה על מנת לקבוע את ההשפעות של המספר interlines ושל הכיוון של דפוס רטיבים ההיברידי. שטף חום רתיחה, HTC, ודינמיקת בועה נותחו על מצעים מצופים מכל ואנחנומחדש לעומת המצע נחושת.
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).
