Summary
Pool-kogende varmeoverførselsetiketter eksperimenter blev udført for at undersøge virkningen af hybride befugtelige mønstre på varmeoverførselskoefficienten (HTC). Parametrene for undersøgelsen, er antallet af interlining og mønsteret orientering af det modificerede befugtelige overflade.
Introduction
En høj varmeflux-opretholde anlægget sørger for køling i intervallet 10-10 5 W / cm2 er påkrævet af nye områder inden for elektronik, forsvar, flyelektronik og udvikling nuklear enhed. Konventionel køling med luft er utilstrækkelig til disse anvendelser på grund af den lave varmeledningstal (HTC) for begge fri- og tvungen konvektion betingelser. Faseændringen-baserede køling teknikker, såsom pool kogende og flow kogning, er gode nok til at fjerne høje varmefluxer i størrelsesordenen 10 - 1.000 W / cm2 1. Eftersom to-fase varmeoverførende proces er isotermisk, den afkølede indretning temperatur er næsten konstant over dens overflade. På grund af den ubetydelige variation af temperaturen langs overfladen, kan den termiske chok af anordningen elimineres. Men den største begrænsende parameter i kogende varmeoverførende er den kritiske varmestrømning (CHF), der forårsager en unormal temperaturstigning 2
I de sidste årtier er omfattende forskning blevet udført for at forbedre CHF ved hjælp overflademodifikation, nanofluids, og overfladebelægninger 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Blandt de forskellige metoder, der overfladebelægninger sig at være den bedste metode til at forbedre CHF skyldes den betydelige stigning i overfladearealet. Overfladebelægninger forøger generelt varmeoverførsel ved fin handling, porøsitet effekter, og overfladebefugtelighed 12. Overfladebefugtelighed spiller en væsentlig rolle i kogende varme-overførsel. Tidligere undersøgelser viser, at ved lavere varme-flux betingelser, den hydrofobe overflade viser bedre HTC følge af den tidlige nukleering. Dog påhøjere varmeflux, frigørelsen af de dannede bobler er langsom på grund af den lave affinitet af vand mod overfladen. Dette fører til boble sammensmeltning og resulterer i en lavere CHF 3. På den anden side, en hydrofil overflade giver en højere CHF, på grund af den hurtige frigørelse af de dannede bobler, men det giver en lavere HTC ved lave varmefluxer, på grund af forsinkelsen i boble nukleering 13.
De hybride strukturer udviser en bemærkelsesværdig forøgelse i kogende varmeoverførende for alle varmefluxer på grund af den kombinerede virkning af hydrofobicitet og hydrofilicitet 14, 15, 16. Hsu et al. produceret heterogen befugtelig overflade ved at coate super-hydrofil Si nanopartikler på en maskeret kobberoverflade. De opnåede forskellige befugtningsegenskaber forhold ved at variere belægningen tid. Starten af kogning fandt sted tidligere på de heterogene overflader sammenlignet med homogeneous overflade, der væsentligt reduceret væggen overhedning 17. Jo et al. udført boblekogning varmeoverførselsetiketter undersøgelser af hydrofile, hydrofobe, og heterogene befugtnings- overflader. Den heterogene befugtningsoverfladespænding var sammensat af hydrofobe mønstrede prikker på den hydrofile overflade. De fik højere HTC'er og samme CHF for den uensartede overflade er sammenlignet med den hydrofile overflade. En forbedring i kogende varmeoverførende afhænger direkte af antallet af prikker på overfladen og til de anmeldte kogningstilstande 18.
I denne undersøgelse blev aksiale hybrid befugtelige mønstre produceret på en cylindrisk kobberoverflade ved hjælp af dyppecoating teknik. Pool-kogende varmeoverførselsetiketter undersøgelser blev udført for at bestemme virkningerne af antallet af interlining og af orienteringen af den hybride befugtelige mønster. Kogende varme flux, HTC og boble dynamik blev analyseret for de alle overtrukne substrater og vire sammenlignet med kobbersubstratet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af de modificerede overflader
- Manuelt polere prøveemnet (hul kobber cylinder med en 40-mm længde (l), en 25-mm udvendig diameter (d o), og en 18-mm indvendig diameter (d i)) i 15 minutter under anvendelse af en # 2.000 smergel papir. Rens den polerede overflade ved at skylle den med acetone efterfulgt af DI vand.
- Placer den polerede prøveemnet i en ovn i 2 timer ved en konstant temperatur på 120 ° C.
- Forberede en super-hydrofil SiO2 nanopartikel opløsning under anvendelse af følgende trin.
- Forberede opløsning A ved at blande 1: 4 molforhold mellem tetraethoxysilan og DI vand. Tilsæt 2 dråber 37% koncentreret HCI til opløsning A, og der omrøres i 2 timer.
- Gøre opløsning B ved blanding af et 1: 3 molforhold mellem ethanol og DI vand.
- Bland 1 ml opløsning A til 80 ml opløsning B, og der omrøres i 2 timer.
- Tilføje 32 g SiO 2 nanopartikler (40-nm diameter) til den fremstillede Solution og omrør i 1 time.
- Nedsænke prøveemnet i den fremstillede opløsning ved hjælp af dip-coating-apparat ved en hastighed på 5 mm / min. Holde det overtrukne prøveemnet i en ovn ved 120 ° C i 1 time.
- Forbered 2, 4 og 8 interlined hybride mønstre med forskellige orienteringer langs den aksiale retning (som vist i figur 1) under anvendelse af følgende trin.
- Maskere område, der skal ikke belagt ved hjælp af isolering tape ifølge det nødvendige antal af interlining med den korrekte orientering (for 2-interlining overflade ved en 0 ° orientering, justere interlining på midten og den super-hydrofil (område, der skal belægges) på oversiden. på den anden side, for 90 ° orientering, indstille et interlining foroven og en anden i bunden og for 180 ° orientering, justere super-hydrofil nederst og interlining på centret. Tilsvarende justere stilling af 4, 8 interlined overflader med forskellige orientation som vist i figur 1).
- Nedsænkes maskerede prøveemnet i den fremstillede opløsning ved anvendelse af en dip-coatingapparat, dip ved en høj dypning hastighed og stigning ved en langsom hastighed på 5 mm / min. Holde det overtrukne prøveemnet i en ovn ved 120 ° C i 1 time.
- Fjern isolering tape fra den maskerede område for at opnå det krævede antal af interlining med den korrekte orientering.
Figur 1. Udvælgelse af forskellige interlined Surfaces. (a) Skematisk af forskellige interlined overflader med forskellige orienteringer. Forholdet i et almindeligt kobberoverflade og en super-hydrofil overflade er 1: 1 i alle forhold. udvælgelseskriterier (b) Orientering. (c) Isometrisk billede af 2 interlining 0 ° vinkel orienteret overflade. Retningen er valgt som vinklen mellem basislinien og coatingmidterlinien i første hydrofile mønster fra oversiden og det er målt i urets retning. Klik her for at se en større version af dette tal.
2. Forsøgsprocedure
- Ved hjælp af isolering tape, fix et glasrør ved hver cirkulære basis af den coatede prøveemnet.
- Vandret løse dette enheden til 140- x 140- x 160-mm kammer (som vist i figur 2) ved anvendelse silicium pasta ifølge den ønskede stilling af interlining.
- Placer en 550 W, 18 mm diameter, og 40 mm langt varmepatron med en tynd film af termisk pasta på den perifere område i hullet af prøveemnet.
- Forbinde kassetten varmelegeme til en jævnstrøm (DC) strømforsyning.
- Sted T-termoelementer i de 8 lige stor indbyrdes afstand 1 mm huller, med alternative dybder på 5 mm og 7 mm som vist i figur3 Slut dem til dataloggeren.
- Indsætte og fastsætte modstand (RTD), en tilbagesvaler og en tilskud i felterne på topdækslet. Løse dem over kogekammeret.
- Fylde 1.400 ml DI vand i puljen kogende kammer.
- Tilslut tilbagesvaler til et kølekammer, der holdes ved 5 ° C.
- Før forsøget, kraftigt koge DI vand i puljen kogende kammer i 30 minutter under anvendelse af tilskuddet.
- Holde DI vand ved den mættede kogende tilstand ved hjælp af tilskuddet. Derefter tænde for strømforsyningen og giver en indledende strøm på 0,1 A.
- Vent i 2 min for at nå en stabil tilstand. Derefter øges den elektriske strøm med intervaller på 0,3 A.
- Registrere temperaturen ved hver effektindgangsakslen ved hjælp dataloggeren. Fortsætte forsøget, indtil en maksimal strøm på 4 A er nået. I mellemtiden optage boble dynamik f eller hver effektindgangsakslen ved anvendelse af et CCD-kamera placeret foran puljen kogende kammer, som er fokuseret på prøveemnet.
Figur 2. Skematisk af Pool-kogende afdeling. Glasrør er forbundet til begge sider af den hule kobber cylinder med silicium pasta. Dette er låst til puljen kogende kammer med silicium pasta. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Termoelement Positionering. 8 termoelementer er placeret inde huller af 1 mm diameter langs omkredsen i prøveemnet sted ved en diameter på 20 mm. Dybderne af huller alternative 1mm diameter er faste på 5 mm og 7 mm./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.
3. databehandling
- Beregn varmetilførslen (Q) ved anvendelse af følgende ligning 19
Q = I V (1)
BEMÆRK: I og V er indgangsstrømmen i ampere og spændingen i volt hhv. - Estimere varmetabet (Q underskud) fra de to sideflader ved hjælp af formlen 19:
(2)
BEMÆRK: k er den termiske ledningsevne af kobber; T 7 mm og T 5 mm er gennemsnitsværdierne for temperaturen på dybder 7 mm og 5 mm, henholdsvis; Ax (2 mm) er forskellen mellem dybet; og
er det tværsnitsareal af test p IECE. - Bestemme varmefluxen (q ') ved hjælp af følgende formel 19:
(3)
BEMÆRK: A = π d o l er rundtgående område af prøveemnet. - Beregn væggen overhedning (ved følgende formel 19:
(4)
BEMÆRK: T m er gennemsnittet af T 7 mm og T 5 mm, er længden af prøveemnet, r o (12,5 mm) ydre radius af prøveemnet, r m (10 mm) radius af prøveemnet på måling huller, og T sad er mætningstemperaturen af DI vand som vist i figur 4. - Beregne HTC (α) ved følgende formel 19:
pload / 55.387 / 55387eq5.jpg"/> (5)
(2) 
er det tværsnitsareal af test p IECE. 
(3) 
(4) 
Figur 4. Skematisk af vægtemperaturen Analysis. Vægtemperaturen beregnes under anvendelse af målte gennemsnitlige temperatur og kendt cylindrisk termisk modstand. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Pool-kogende varmeoverførselsetiketter eksperimenter blev udført på en hybrid befugtelig cylindrisk overflade ved hjælp forsøgsopstillingen hvis skematisk er vist i figur 5. Puljen kogende eksperimentelle fremgangsmåde beskrevet i trin 2 i protokollen afsnit blev udført med succes under behandlingen af virkningen af antallet af interlining og af orienteringen af den hybride befugtelige mønster på pool-kogende performance. Pool-kogende præstationer for de forskellige behandlede overflader var repræsenteret i form af grafer: varmefluxen versus væggen overhedning og HTC versus varmestrømmen.
For at validere forsøgsopstillingen blev pool kogende eksperimentelle varmeoverførsel resultaterne af sletten kobberoverflade sammenlignet med den teoretiske korrelation forudsagt af Cornwell og Houston i 1994 20, som vist i de følgende equatipå:
(6)
hvor N u er det Nusselts nummer, A = 9.7p c 0,5, med p c = 221,2 bar; F (p) = 1.8p r 0,17 + 4p r 1.2 + 10p R10, med p r = p / p c og p = 1,013 bar; Ad b er kogningen Reynolds tal beregnes ved anvendelse af ligning 7, og Pr er Prandtl tal.
(7)
hvor q 'er varmefluxen, D er den ydre diameter af prøveemnet, u-f er dynamic viskositet, og h fg er den latente fordampningsvarme ved mætningstemperaturen.
Den eksperimentelle Nusselt tal beregnes ved hjælp af følgende ligning:
(8)
hvor α er HTC og k f er den termiske ledningsevne af arbejdsfluidet.
Figur 6 viser valideringen grafen. Den eksperimentelle Nusselt tal er næsten den samme som den teoretiske korrelation Nusselt nummer for en bestemt Reynolds tal.
Eksperimentel usikkerhed i den beregnede varmeflux, væggen super varme og HTC blev beregnet under anvendelse Kline og McClintn metode 21. Unsikkerhed i varmeflux, blev væggen super varme og HTC anslået i intervallet ± 15,3%, ± 1,7%, ± 15,5% hhv.
Figur 5. Skematisk af forsøgsopstillingen. Forsøgsopstillingen brugt til at undersøge pool-kogende forestillinger. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Validering af forsøgsopstillingen. En sammenligning mellem de foreliggende resultater og korrelationen rapporteret af Cornwell og Houston 16 i en logaritmisk skala. Klik her for at se en større version af dette tal. >
Figur 7 (a) viser pool-kogepunktskurver af sletten kobberoverflade, et fuldt super-hydrofil overflade, og hybride overflader med forskellige antal af interlining på en 0 ° orientering. Pool-kogende kurve blev opnået ved at afbilde grafen for varmefluxen versus væggen overhedning. Varmefluxen og væg overhedning blev beregnet ved anvendelse af ligning 3 og 4. En venstregående forskydning i kurven puljen kogende blev opnået for 8-interline overflade, hvorimod 2- og 4-interline overflader viste næsten ens værdier. Figur 7 (b) viser grafen for den HTC versus varmefluxen af forskellige overflader. HTC beregnes ved brug af ligning 5. HTCs af forskellige overflader blev sammenlignet, og den 8-interlining overflade viste den højeste værdi, mens den homogene super-hydrofil overflade viste den laveste værdi.
ve_content" fo: keep-together.within-side = '1'> Bubble nukleeringssteder for de forskellige overflader blev registreret ved anvendelse af et CCD-kamera Figur 8 viser, at antallet af bobler på den fuldt super-hydrofil overflade er det laveste, og med en. stigning i antallet af interlining, blev også fundet boblerne til at stige.Puljen kogende ydeevne af 2-, 4- og 8-interlined overflader og med forskellige orienteringer er vist i figur 9 og 10. Sammenlignet med puljen kogende kurve af 0 ° orientering, viste 180 ° orientering en forskydning mod højre. I tilfælde af 2-interlined overflader med forskellige grader af vinkelorientering viste 0 ° orientering en bedre kogende performance. 4- og 8-interlined overflader gav deres maksimale forhøjelse på orienteringer af 90 ° og 45 °. I disse tilfælde positionerne af super-hydrofil overflades var lige over de nederste interlining. Figur 11 viser de bedste pool kogepunkt præstationer for forskellige interlining. Med en stigning i interline nummer, er HTCs sig at forbedre.
Figur 7. Pool-kogende ydelse til en 0 ° orientering. (a) Kogende kurver for de forskellige overflader. (b) Graf over HTC versus varmestrømmen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Fotografier af boble nukleering. (a) Plain overflade. (b) super-hydrofil overflade. (c) 2-interlined overflade.(d) 4-interlined overflade. (e) 8-interlined overflade. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9. Virkning af orientering på pool-kogende kurve. Pool kogepunkt kurver for (a) en 2-interlined overflade, (b) en 4-interlined overflade, og (c) en 8-interlined overflade med forskellige orienteringer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10. Virkning af orientering på HTC versus hanved flux. HTC versus varmestrømmen graf af (a) en 2-interlined overflade, (b) en 4-interlined overflade, og (c) en 8-interlined overflade med forskellige orienteringer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11. Sammenligning af de bedste pool kogepunkt forestillinger. (a) Kogende kurver for de forskellige overflader. (b) Graf over den kogende HTC versus varmestrømmen. Klik her for at se en større version af dette tal.
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).
