Summary
experimentos de transferencia de calor de la piscina de punto de ebullición se llevaron a cabo para observar los efectos de los patrones de humectables híbridos en el coeficiente de transferencia de calor (HTC). Los parámetros de la investigación son el número de interlíneas y la orientación patrón de la superficie humectable modificado.
Introduction
Un sistema de alta flujo de calor para mantener la prestación de enfriamiento en el rango de 10-10 5 W / cm2 se requiere en los campos emergentes de la electrónica, defensa, aviónica, y el desarrollo de dispositivos nucleares. de refrigeración convencionales con el aire no es suficiente para estas aplicaciones debido al coeficiente de transferencia de calor bajo (HTC) para ambas condiciones de libre y convección forzada. Las técnicas de enfriamiento a base de cambio de fase, tales como piscina de ebullición y el flujo de ebullición, son lo suficientemente buenos para eliminar flujos de alta temperatura del orden de 10 - 1.000 W / cm 2 1. Dado que el proceso de transferencia de calor de dos fases es isotérmica, la temperatura del dispositivo enfriado es casi constante sobre su superficie. Debido a la variación insignificante de la temperatura a lo largo de la superficie, el choque térmico del dispositivo puede ser eliminada. Sin embargo, el parámetro de limitación importante en ebullición de transferencia de calor es el flujo de calor crítico (CHF), que causa un aumento anormal de temperatura 2
En las últimas décadas, la investigación extensa se ha llevado a cabo para mejorar la CHF mediante el uso de modificación de la superficie, nanofluidos, y la superficie de los revestimientos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Entre los diversos métodos, revestimientos de superficies se encuentran para ser el mejor método para mejorar la CHF debido al aumento sustancial en el área de la superficie. Recubrimientos de superficie generalmente aumentan la transferencia de calor por la acción de la aleta, efectos de porosidad, y humectabilidad de la superficie 12. humectabilidad de la superficie juega un papel significativo en la temperatura de ebullición de transferencia. Estudios previos muestran que en condiciones de flujo de calor más bajos, la superficie hidrófoba muestra mejor HTC debido a la nucleación temprano. Sin embargo, enmayor flujo de calor, el desprendimiento de las burbujas formadas es lento debido a la baja afinidad de agua hacia la superficie. Esto conduce a la coalescencia de las burbujas y se traduce en una menor CHF 3. Por otro lado, una superficie hidrófila produce una CHF más alto, debido a la separación rápida de las burbujas formadas, pero da una HTC inferior a flujos de calor bajos, debido a la demora en la nucleación de burbujas 13.
Las estructuras híbridas muestran una notable mejora en la temperatura de ebullición de transferencia para todos los flujos de calor debido al efecto combinado de la hidrofobicidad y la hidrofilicidad 14, 15, 16. Hsu et al. producido superficie humectable heterogénea mediante el recubrimiento de superhidrófilo Si las nanopartículas sobre una superficie de cobre enmascarado. Alcanzaron diferentes relaciones de humectabilidad mediante la variación del tiempo de recubrimiento. El inicio de la ebullición se produjo antes en las superficies heterogéneas en comparación con el hsuperficie omogeneous, lo que redujo sustancialmente la pared de sobrecalentamiento 17. Jo et al. realizado ebullición nucleada estudios de transferencia de calor en las superficies humectantes hidrófilos, hidrófobos, y heterogéneos. La superficie de humectación heterogénea se compone de puntos estampadas hidrófobos sobre la superficie hidrófila. Consiguieron CTH más altos y el mismo CHF para la superficie heterogénea en comparación con la superficie hidrófila. Una mejora en la temperatura de ebullición de transferencia depende directamente del número de puntos en la superficie y en las condiciones de punto de ebullición 18.
En este estudio, los patrones humectables híbridos axiales fueron producidos sobre una superficie de cobre cilíndrico utilizando la técnica de recubrimiento por inmersión. se llevaron a cabo Pool-hirviendo estudios de transferencia de calor para determinar los efectos de la cantidad de interlíneas y de la orientación del patrón humectable híbrido. Ebullición de flujo de calor, HTC, y dinámica de burbujas se analizaron para los sustratos recubiertos y todo nosre en comparación con el sustrato de cobre.
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Protocol
1. Preparación de las superficies modificadas
- Pulir manualmente la pieza de ensayo (cilindro de cobre hueco con una longitud de 40 mm (L), un diámetro exterior de 25 mm (d o), y un diámetro interior de 18 mm (d i)) durante 15 min usando un esmeril # 2000 papel. Limpiar la superficie pulida de un aclarado con acetona seguido de agua DI.
- Colocar la probeta pulida en un horno durante 2 horas a una temperatura constante de 120 ° C.
- Preparar una solución de nanopartículas de SiO 2 superhidrófilo mediante los pasos siguientes.
- Preparar la solución A mediante la mezcla de 1: 4 relaciones molares de tetraetoxisilano y agua DI. Añadir 2 gotas de 37% de HCl concentrado a la solución A y agitar durante 2 h.
- Hacer la solución B mezclando una proporción de 1: 3 molar de etanol y agua DI.
- Mezclar 1 ml de la solución A a 80 ml de solución B y se agita durante 2 h.
- Añadir 32 g de SiO 2 nanopartículas (diámetro de 40 nm) a la solu preparadosción y se agita durante 1 h.
- Sumergir la pieza de ensayo en la solución preparada usando el aparato de recubrimiento por inmersión a una velocidad de 5 mm / min. Mantenga la pieza de ensayo recubierto en una estufa a 120 ° C durante 1 h.
- Preparar 2, 4, y 8 patrones híbridos interlineado con diferentes orientaciones a lo largo de la dirección axial (como se muestra en la Figura 1) utilizando los siguientes pasos.
- Enmascarar la zona a estar sin recubrir utilizando la cinta de aislamiento de acuerdo con el número requerido de interlíneas con la orientación adecuada (Para la superficie 2-interlínea en una orientación 0 °, ajuste interlíneas en el centro y la zona de superhidrófilo (área a recubrir) en el lado superior. por otro lado, para la orientación 90 °, ajustar uno interlínea en la parte superior y otro en la parte inferior y para la orientación de 180 °, ajuste área superhidrófilo en la parte inferior y las interlíneas en el centro. de manera similar, ajustar el posición de las 4, 8 superficies interlineado con la diferente orientation como se muestra en la Figura 1).
- Sumergir la pieza de ensayo enmascarado en la solución preparada mediante el uso de un aparato de recubrimiento por inmersión, inmersión a una alta velocidad de inmersión y ascenso a una velocidad lenta de 5 mm / min. Mantenga la pieza de ensayo recubierto en una estufa a 120 ° C durante 1 h.
- Retire la cinta de aislamiento de la zona enmascarada para obtener el número requerido de interlíneas con la orientación apropiada.
Figura 1. Selección de superficies diferentes interlineado. (a) Esquema de superficies diferentes interlineado con diferentes orientaciones. La relación de área de una superficie de cobre plano y una superficie de superhidrófilo es de 1: 1 en todas las condiciones. criterios de selección (b) la orientación. (c) vista isométrica de la 2 interlínea superficie orientada 0 ° de ángulo. Orientación se selecciona como el ángulo entre la línea de base y revestimientolínea central del primer patrón hidrofílico desde el lado superior y se mide en una dirección hacia la derecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. Procedimiento Experimental
- Uso de la cinta de aislamiento, fijar un tubo de vidrio en cada base circular de la pieza de ensayo revestida.
- Horizontalmente solucionar este conjunto a la cámara de 140- x 140- x 160 mm (como se muestra en la Figura 2) usando pasta de silicona según la posición requerida de interlíneas.
- Colocar un 550-W, diámetro de 18 mm, y el calentador de cartucho de 40 mm de longitud con una película fina de pasta térmica en el área circunferencial en el agujero de la pieza de ensayo.
- Conectar el calentador de cartucho a una unidad de alimentación de corriente continua (DC).
- Place de tipo T termopares en los 8 orificios de 1 mm igualmente espaciados, con profundidades alternas de 5 mm y 7 mm, como se muestra en la figura3 Conéctelas al registrador de datos.
- Insertar y fijar detectores de temperatura de resistencia (RTD), un condensador de reflujo, y un calentador auxiliar en los espacios provistos en la cubierta superior. Fijarlos sobre la cámara de ebullición.
- Llenar 1.400 ml de agua DI en la cámara de piscina punto de ebullición.
- Conectar el condensador de reflujo a una cámara de enfriamiento que se mantiene a 5 ° C.
- Antes del experimento, hervir vigorosamente el agua DI en la cámara de piscina-hirviendo durante 30 min utilizando el calentador auxiliar.
- Mantenga el agua DI a la condición de ebullición saturado utilizando el calentador auxiliar. Posteriormente, encender la fuente de alimentación y dar una corriente inicial de 0,1 A.
- Espere durante 2 minutos con el fin de alcanzar un estado de equilibrio. Entonces, aumentar la corriente eléctrica con incrementos de 0,3 A.
- Registre la temperatura en cada entrada de potencia utilizando el registrador de datos. Continuar el experimento hasta que se alcanza una corriente máxima de 4 A. Mientras tanto, registrar la dinámica de burbujas f o cada entrada de energía mediante el uso de una cámara CCD colocado en frente de la cámara de piscina punto de ebullición, que se centra en la pieza de ensayo.
Figura 2. Esquema de la Cámara Pool-hirviendo. tubos de vidrio están conectados a ambos lados del cilindro de cobre hueco con pasta de silicona. Este se fija a la cámara de piscina de punto de ebullición con pasta de silicona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Termopar de posicionamiento. 8 termopares se colocan dentro de los agujeros de 1 mm de diámetro circunferencialmente en el lugar pieza de ensayo en un diámetro de 20 mm. Las profundidades de orificios de 1 mm de diámetro alternos se fijan a 5 mm y 7 mm, respectivamente./files/ftp_upload/55387/55387fig3large.jpg" target = '_ blank'> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
3. Reducción de Datos
- Calcular la entrada de calor (Q) mediante el uso de la siguiente ecuación 19
Q = I V (1)
NOTA: I y V son la corriente de entrada en amperios y la tensión en voltios, respectivamente. - Estimar la pérdida de calor (pérdida Q) de las dos superficies laterales mediante el uso de la fórmula 19:
(2)
NOTA: k es la conductividad térmica del cobre; T 7 mm y T 5 mm son los valores medios de la temperatura a una profundidad de 7 mm y 5 mm, respectivamente; ? X (2 mm) es la diferencia entre las profundidades; y
es el área de sección transversal de la prueba p IECE. - Determinar el flujo de calor (q '') mediante el uso de la siguiente fórmula 19:
(3)
NOTA: A = π d o l es el área circunferencial de la pieza de ensayo. - Calcular el sobrecalentamiento de la pared (usando la siguiente ecuación 19:
(4)
NOTA: T m es la media de T 7 mm y T 5 mm, es la longitud de la pieza de ensayo, r O (12,5 mm) radio exterior de la pieza de ensayo, r m (10 mm) radio de la probeta a la la medición de agujeros, y T sAT es la temperatura de saturación del agua DI como se muestra en la Figura 4. - Calcular la HTC (α) utilizando la siguiente fórmula 19:
pload / 55387 / 55387eq5.jpg"/> (5)
(2) 
es el área de sección transversal de la prueba p IECE. 
(3) 
(4) 
Figura 4. Esquema de Análisis temperatura de la pared. temperatura de la pared se calcula utilizando la temperatura media medida y conocido resistencia térmica cilíndrica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Representative Results
Experimentos de transferencia de calor de la piscina de punto de ebullición se llevaron a cabo sobre una superficie cilíndrica humectable híbrido utilizando la configuración experimental cuya esquemática se muestra en la Figura 5. El procedimiento experimental de la piscina de ebullición explicó en el paso 2 de la sección de protocolo se llevó a cabo con éxito mientras se investiga el efecto de la cantidad de interlíneas y de la orientación del patrón humectable híbrido en el rendimiento de la piscina de punto de ebullición. Las actuaciones de las superficies diferentes tratado piscina punto de ebullición fueron representados en términos de gráficos: el flujo de calor frente al sobrecalentamiento de la pared y el HTC frente al flujo de calor.
Con el fin de validar la configuración experimental, piscina hirviendo resultados de transferencia de calor experimentales de la superficie de cobre plano se compararon con la correlación teórica predicha por Cornwell y Houston en 1994 20, como se muestra en los siguientes equatien:
(6)
donde N u es el número de Nusselt; A = 9.7p c 0,5, con p c = 221,2 bar; F (p) = r 1.8p 0,17 + 4p r 1,2 + 10p r 10, con p r = p / p c y p = 1,013 bar; Re b es el número de Reynolds de ebullición calculado utilizando la ecuación 7, y Pr es el número Prandtl.
(7)
donde q '' es el flujo de calor, D es el diámetro exterior de la pieza de ensayo, mu f es la dynamic viscosidad, y h fg es el calor latente de vaporización a temperatura de saturación.
El número de Nusselt experimental se calcula utilizando la siguiente ecuación:
(8)
donde α es el HTC y k f es la conductividad térmica del fluido de trabajo.
La Figura 6 muestra la gráfica de validación. El número de Nusselt experimental es casi la misma que la correlación número teórico de Nusselt para un número de Reynolds particular.
Incertidumbre experimental en el flujo de calor calculado, el calor súper pared y el HTC se calcularon utilizando Kline y McClintn método 21. Naciones Unidascerteza en el flujo de calor, la pared súper calor y el HTC se estimaron en el intervalo ± 15,3%, ± 1,7%, ± 15,5%, respectivamente.
Figura 5. Representación esquemática de la configuración experimental. El montaje experimental utilizado para investigar las actuaciones de la piscina de ebullición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Validación de la configuración experimental. Una comparación entre los resultados actuales y la correlación reportado por Cornwell y Houston 16 en una escala logarítmica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. >
La Figura 7 (a) muestra las curvas de la piscina de punto de ebullición de la superficie de cobre plano, una superficie totalmente superhidrófilo, y superficies híbridos con diferentes números de interlíneas en una orientación 0 o. La curva de la piscina de punto de ebullición se obtuvo trazando el gráfico del flujo de calor frente al sobrecalentamiento de la pared. El flujo de calor y la pared de sobrecalentamiento se calcularon mediante el uso de las ecuaciones 3 y 4, respectivamente. Se obtuvo un desplazamiento hacia la izquierda en la curva de la piscina de ebullición para la superficie 8-interlínea, mientras que las posiciones 2 y 4-interlínea superficies mostraron valores casi similares. La Figura 7 (b) muestra la gráfica de la HTC frente al flujo de calor de diferentes superficies. El HTC se calcula utilizando la Ecuación 5. Los CTH de diferentes superficies se compararon, y la superficie 8-interlínea mostró el valor más alto, mientras que la superficie superhidrófilo homogénea mostró el valor más bajo.
ve_content" fo: keep-together.within-page = '1'> sitios de nucleación de burbujas de las diferentes superficies se registraron utilizando una cámara CCD La figura 8 indica que el número de burbujas en la superficie totalmente superhidrófilo es la más baja, y con una. aumentar en el número de interlíneas, también se encontró que las burbujas a aumentar.El rendimiento de la piscina de ebullición de 2-, 4-, y las superficies 8-entre renglones y con diferentes orientaciones se muestran en las Figuras 9 y 10. En comparación con la curva de la piscina de punto de ebullición de la orientación de 0 °, la orientación 180 ° mostró un desplazamiento hacia la derecha. En el caso de superficies de 2 interlineado-con diferentes grados de orientación angular, la orientación 0 ° mostró un mejor rendimiento de ebullición. 4 y superficies 8 interlineado-dieron su mejora máxima en orientaciones de 90 ° y 45 °, respectivamente. En estos casos, las posiciones de la superficie superhidrófilos eran justo por encima de las interlíneas inferiores. La Figura 11 muestra las mejores actuaciones piscina punto de ebullición de diferentes entrelíneas. Con un aumento en el número de interlínea, los CTH se encuentran para mejorar.
Figura 7. rendimiento Pool-hirviendo en una orientación 0 °. (a) de ebullición curvas para las diferentes superficies. (b) Gráfica de la HTC frente al flujo de calor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Las fotografías de la nucleación de burbujas. (a) superficie plana. de superficie (b) superhidrófilo. (c) 2-interlineado superficie.(d) 4-interlineado superficie. (e) 8-interlineado superficie. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9. Efecto de la orientación de la curva de la piscina de punto de ebullición. Curvas piscina punto de ebullición de (a) una superficie de 2-interlineado, (b) una superficie de 4-interlineado, y (c) una superficie 8-interlineado con diferentes orientaciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10. Efecto de la orientación en el HTC frente al élen el flujo. El HTC frente a la gráfica de flujo de calor de (a) una superficie de 2-interlineado, (b) una superficie de 4-interlineado, y (c) una superficie 8-interlineado con diferentes orientaciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11. Comparación de las mejores actuaciones de la piscina de ebullición. (a) de ebullición curvas para las diferentes superficies. (b) Gráfica de la HTC de ebullición en comparación con el flujo de calor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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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
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