Pool-Koke Heat-Transfer Enhancement på sylinderflater med Hybrid Fukt Patterns
Summary
Pool-kokende varme-eksperimenter ble utført for å observere virkningene av hybridfuktbare mønstre på varmeovergangstallet (HTC). Parametrene for undersøkelsen er antallet interlines og mønsteret orienteringen av den modifiserte fuktbar overflate.
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
En høy varmefluks opprettholdende system som gir kjøling i området på 10-10 5 W / cm2 er nødvendig i vekst innen elektronikk, forsvar Flyelektronikk, og kjerneanordning utvikling. Konvensjonell kjøling med luft er utilstrekkelig for disse anvendelser på grunn av den lave varmeovergangstallet (HTC) for både fritt og tvungen konveksjon betingelser. De faseforandringsbaserte kjøleteknikker, slik som basseng koking og flyte koking, er gode nok til å fjerne høye varmeflukser av størrelsesorden 10 – 1000 W / cm 2 1. Ettersom to-fase-varmeoverføringsprosessen er isotermisk, er den avkjølte anordning temperatur tilnærmet konstant over dens overflate. På grunn av den ubetydelige temperaturvariasjon langs overflaten, kan det termiske sjokk for enheten bli eliminert. Imidlertid er den viktigste begrensende parameter i kokende varmeoverføring er den kritiske varmefluks (CHF), som forårsaker en unormal temperaturstigning 2 </sup>.
I de siste tiårene har omfattende forskning blitt utført for å forbedre CHF ved hjelp av overflatemodifikasjon, nanovæsker, og overflatebelegg 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Blant de forskjellige fremgangsmåter, blir overflatebelegg funnet å være den beste metode for å forbedre CHF på grunn av betydelig økning i overflatearealet. Flatebelegg generelt øke varmeoverføringen ved finne handling, porøsitet effekter, og overflatefukt 12. Overflate fuktbarheten spiller en betydelig rolle i kokende varmeoverføring. Tidligere studier viser at ved lavere varme fluks betingelser, viser den hydrofobe overflate bedre HTC på grunn av den tidlige kjernedannelse. Men påhøyere varmefluks er frigjøring av de dannede boblene langsom på grunn av den lave affinitet av vannet mot overflaten. Dette fører til boblekoalesens og resulterer i en lavere 3 CHF. På den annen side frembringer en hydrofil overflate en høyere CHF, på grunn av den hurtig løsgjøring av de dannede bobler, men det gir et lavere HTC ved lave varmeflukser, som følge av forsinkelsen i boblekjernedannelse 13.
De hybride strukturer viser en bemerkelsesverdig forbedring i kokende varmeoverføring til alle varmeflukser på grunn av den kombinerte virkning av hydrofobisitet og hydrofilisitet 14, 15, 16. Hsu et al. produsert heterogen fuktbar overflate ved å belegge superhydrophilic Si nanopartikler på en maskert kopperoverflate. De oppnådde forskjellige fuktbarhetsegenskapene forhold ved å variere den tid belegget. Utbruddet av koke skjedde tidligere på de heterogene flater i forhold til homogeneous overflate, noe som i betydelig grad redusert veggoverhete 17. Jo et al. utført kimkoking for varmeoverføring studier på hydrofile, hydrofobe, og heterogene fukte overflater. Den heterogene fukting overflate var sammensatt av hydrofobe mønstrede prikker på den hydrofile overflate. De fikk høyere HTCs og det samme CHF for den heterogene flate i forhold til den hydrofile overflate. En forbedring i kokende varmeoverføring avhenger direkte av det antall punkter på overflaten og av kokebetingelsene 18.
I denne studien ble det aksiale hybridfuktbare mønstre som produseres på en sylindrisk kobberoverflate ved hjelp av dyppebelegning teknikk. Pool-kokende varme-studier ble utført for å bestemme effektene av antallet interlines og av orienteringen av det hybride fuktbare mønsteret. Kokende varme flux, HTC og bobledynamikken ble analysert for alle belagte substrater og vire i forhold til kobberet substratet.
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).
