Pool-Boiling Heat-Transfer Enhancement op cilindrische oppervlakken met Hybrid Bevochtigbare Patterns
Summary
-Pool kookpunt warmtegeleidende experimenten werden uitgevoerd om de effecten van hybride bevochtigbare patronen op de warmte-overdrachtscoëfficiënt (HTC) neemt. De parameters analysemethoden zijn het aantal en de tussenlijnen patroon oriëntatie van het gemodificeerde bevochtigbaar oppervlak.
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
Een hoge warmteflux onderhoudende systeem dat koeling in het traject van 10-10 mei W / cm2 vereist in de opkomende gebied van elektronica, defensie, elektronische en ontwikkeling kernkop. Conventionele koeling met lucht is voldoende voor deze toepassingen vanwege de lage warmtegeleidingscoëfficiënt (HTC) zowel free- en gedwongen convectie omstandigheden. De faseverandering gebaseerde koeltechnieken zoals zwembad koken en flow koken goed genoeg zijn om hoge warmtefluxen te verwijderen in de orde van 10 – 1000 W / cm2 1. Aangezien het tweefasige warmtetransportproces is isotherm, het koelen in inrichting nagenoeg constant over het oppervlak. Vanwege de verwaarloosbare variatie van de temperatuur langs het oppervlak, kan de thermische schok van de inrichting worden verwijderd. Echter, de belangrijke beperkende parameter in kokende warmteoverdracht is de kritische warmteflux (CHF), dat een abnormale temperatuurstijging 2 oorzaken </sup>.
In de afgelopen decennia heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar de CHF verbeteren door oppervlaktemodificatie, nanovloeistoffen en oppervlaktecoatings 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Van de verschillende werkwijzen worden oppervlaktebekledingen gevonden dat de beste methode om de CHF te verbeteren door de aanzienlijke toename van het oppervlak. Oppervlaktecoatings algemeen toe de warmteoverdracht door vin optreden porositeit effecten en bevochtigbaarheid van het oppervlak 12. Bevochtigbaarheid van het oppervlak speelt een belangrijke rol in kokend warmte-overdracht. Eerdere studies tonen aan dat bij lagere warmte-flux omstandigheden, het hydrofobe oppervlak toont betere HTC vanwege de vroegtijdige kiemvorming. Echter, ophogere warmteflux, het losmaken van de gevormde bellen traag vanwege de lage affiniteit van water naar het oppervlak. Dit leidt tot bellencoalescentie en resulteert in een lagere CHF 3. Anderzijds, een hydrofiel oppervlak vormt een hogere CHF, vanwege de snelle loslating van de gevormde bellen, maar het geeft een lagere HTC bij warmtestromen laag, als gevolg van de vertraging bij kiemvorming 13.
De hybride structuren vertonen een opmerkelijke verbetering in kokend koelmiddelen voor alle warmtestromen door het gecombineerde effect van hydrofobiciteit en hydrofiliciteit 14, 15, 16. Hsu et al. geproduceerd heterogene bevochtigbaar oppervlak door bekleding superhydrofiel Si nanodeeltjes op een gemaskeerde koperoppervlak. Zij bereikten verschillende bevochtigbaarheid verhoudingen door verandering van de coating tijd. Het begin van koken opgetreden eerder de heterogene oppervlakken ten opzichte van de homogeneous oppervlak, waarbij de wand aanzienlijk verminderd oververhitting 17. Jo et al. uitgevoerd kiemkoken warmtegeleidende studies hydrofiel, hydrofoob en heterogene bevochtigen oppervlakken. Het heterogene bevochtigingsoppervlaktespanning bestond uit hydrofobe patroon stippen op het hydrofiele oppervlak. Ze kregen hoger HTC's en dezelfde CHF voor de heterogene oppervlak ten opzichte van het hydrofiele oppervlak. Een verbetering in kokende warmteoverdracht direct afhankelijk van het aantal ogen op het oppervlak van de kokende omstandigheden 18.
In deze studie werden axiale hybride bevochtigbare patronen geproduceerd op een cilindrische koperoppervlak met de dip bekledingstechniek. -Pool kookpunt warmtegeleidende studies werden uitgevoerd om de effecten van het aantal interlining en de oriëntatie van de hybride bevochtigbare figuur bepalen. Koken warmteflux, HTC en beldynamica werden geanalyseerd op alle beklede substraten en weopnieuw tegenover de kopersubstraat.
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).
