Pool-Boiling värmeöverförings Enhancement på cylindriska ytor med Hybrid Vätbara Mönster
Summary
Pool-kokning värmeöverförings experiment utfördes för att observera effekterna av hybrid vätbara mönster på värmeöverföringskoefficienten (HTC). Parametrarna för undersökningen är antalet interlining och mönstret orienteringen av den modifierade vätbar yta.
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 hög värmeflödesuppehållande system som tillhandahåller kylning i intervallet på 10-10 5 W / cm 2 krävs i tillväxt områdena elektronik, försvar, avionik och utveckling kärnladdning. Konventionell kylning med luft är otillräcklig för dessa tillämpningar på grund av den låga värmeöverföringskoefficienten (HTC) för båda free-och fläktförsedd betingelser. Fasändringen baserade kylningstekniker, såsom pool kokning och flödes kokning, är tillräckligt bra för att avlägsna höga värmeflöden i storleksordningen 10 – 1000 W / cm 2 en. Eftersom det tvåfasiga värmeöverföringsprocessen är isotermisk, är den kylda anordningen temperaturen nästan konstant över dess yta. På grund av den försumbara variationen av temperaturen längs ytan, kan den termiska chocken hos anordningen elimineras. Emellertid, är den huvudsakliga begränsande parametern i kokande värmeöverförings den kritiska värmeflödes (CHF), vilket orsakar en onormal temperaturstegring 2 </sup>.
Under de senaste årtiondena har omfattande forskning genomförts för att förbättra CHF genom att använda ytmodifiering, nanofluider, och ytan beläggningar 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Bland de olika metoderna, är ytbeläggningar visade sig vara den bästa metoden för att förbättra CHF på grund av den betydande ökningen av ytarean. Ytbeläggningar ökar i allmänhet värmeöverföringen genom fenan handling, porositet effekter, och ytans vätbarhet 12. Ytvätbarhet spelar en viktig roll i kokande värmeöverföringen. Tidigare studier visar att vid lägre värmeflödesförhållanden, visar den hydrofoba ytan bättre HTC på grund av den tidiga kärnbildning. Men vidhögre värmeflöde, är långsam avskiljandet av de bildade bubblorna på grund av den låga affiniteten av vatten mot ytan. Detta leder till bubbel koalescens och resulterar i en lägre CHF 3. Å andra sidan, ger en hydrofil yta en högre CHF, på grund av den snabba avskiljandet av de bildade bubblorna, men det ger en lägre HTC vid låga värmeflöden, på grund av fördröjningen i bubbelkärnbildning 13.
De hybridstrukturer visar en anmärkningsvärd förbättring i kokande värmeöverförings för alla värmeflöden på grund av den kombinerade effekten av hydrofobicitet och hydrofilicitet 14, 15, 16. Hsu et al. producerade heterogena vätbar yta genom beläggning superhydrofil Si nanopartiklar på en maskerad kopparyta. De uppnått olika vätbarhetsegenskaper förhållanden genom att variera beläggningstiden. Uppkomsten av kokning inträffade tidigare på de heterogena ytor jämfört med homogeneous yta, vilket väsentligt reducerad väggen överhettning 17. Jo et al. genomfört kärnbildande kokningsvärmeöverföringsstudier på hydrofila, hydrofoba, och heterogena vätande ytor. Den heterogena vätande yta var sammansatt av hydrofoba mönstrade prickar på den hydrofila ytan. De fick högre HTCs och samma CHF för den heterogena ytan jämfört med den hydrofila ytan. En förbättring i kokande värmeöverförings beror direkt på antalet punkter på ytan och på de överkokande förhållanden 18.
I denna studie, var axiella hybrid vätbara mönster produceras på en cylindrisk kopparytan med användning av doppbeläggningsteknik. Pool-kokning värmeöverförings studier utfördes för att bestämma effekterna av antalet interlining och av orienteringen av hybrid vätbara mönstret. Kokpunktsvärmeflödes, HTC, och bubbeldynamik analyserades för alla belagda substrat och vire jämfört med kopparsubstrat.
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).
