تعزيز بركة الغليان نقل الحرارة على أسطواني السطوح مع أنماط قابل للبلل الهجين
Summary
أجريت تجارب نقل الحرارة الغليان تجمع خارج لمراقبة آثار أنماط القابلة للبلل الهجينة على معامل نقل الحرارة (HTC). المعلمات التحقيق هي عدد interlines والتوجه نمط من سطح قابل للبلل تعديلها.
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
نظام مكتفية تدفق الحرارة عالية وتوفير التبريد في حدود 10-10 مايو W / سم 2 مطلوب في المجالات الناشئة من الأجهزة الإلكترونية، والدفاع، وإلكترونيات الطيران، وتطوير جهاز النووية. التبريد التقليدية مع الهواء غير كافية لهذه التطبيقات نظرا لمعامل نقل الحرارة المنخفضة (HTC) لكل الظروف free- والقسري الحراري. تقنيات التبريد القائم على مرحلة تغيير، مثل الغليان تجمع وتدفق المغلي، هي جيدة بما فيه الكفاية لإزالة تدفقات ارتفاع الحرارة في حدود 10 – 1000 W / سم 2 1. وبما أن عملية نقل الحرارة على مرحلتين هو متساوي الحرارة، ودرجة حرارة جهاز تبريد ثابتة تقريبا على سطحه. نظرا لاختلاف يذكر في درجات الحرارة على طول السطح، والصدمة الحرارية من الجهاز يمكن القضاء عليها. ومع ذلك، فإن المعلمة الحد الرئيسية في الغليان نقل الحرارة هي الحرارة تدفق النقدي (CHF)، الذي يسبب ارتفاع غير طبيعي في درجة حرارة 2 </sup>.
في العقود القليلة الماضية، وقد تم تنفيذ بحوث واسعة لتحسين CHF باستخدام تعديل السطح، nanofluids، وسطح الطلاء 3، 4، 5، 6، 7، 8، 9، 10، 11. ومن بين أساليب مختلفة، تم العثور على مواد الطلاء ليكون أفضل طريقة لتحسين CHF بسبب الزيادة الكبيرة في مساحة السطح. مواد الطلاء بصورة عامة على زيادة نقل الحرارة عن طريق عمل الزعانف، والآثار المسامية، وبلل سطح 12. بلل سطح يلعب دورا هاما في الغليان نقل الحرارة. وتشير دراسات سابقة أنه في ظروف الحرارة تدفق أقل، والسطح مسعور يظهر HTC أفضل نظرا لالتنوي في وقت مبكر. ومع ذلك، فيارتفاع تدفق الحرارة، ومفرزة من الفقاعات تشكلت بطيئة نظرا لتقارب منخفضة من المياه نحو السطح. وهذا يؤدي إلى التحام فقاعة ويؤدي إلى انخفاض CHF 3. من ناحية أخرى، على سطح ماء ينتج CHF أعلى، بسبب انفصال سريع من الفقاعات تشكلت، لكنه يعطي HTC أقل في تدفقات درجة حرارة منخفضة، وذلك بسبب التأخير في فقاعة التنوي 13.
تظهر هياكل هجينة تعزيز ملحوظا في الغليان نقل الحرارة لجميع تدفقات الحرارة بسبب التأثير المشترك لللا مائية وhydrophilicity 14 و 15 و 16. هسو وآخرون. أنتج سطح قابل للبلل غير متجانسة بواسطة طلاء superhydrophilic سي النانوية على سطح النحاس ملثمين. حققوا نسب بلل مختلفة من خلال تغيير الوقت الطلاء. بداية الغليان وقع في وقت سابق على أسطح غير متجانسة بالمقارنة مع حسطح omogeneous، مما ادى الى تراجع كبير في جدار حمى 17. جو وآخرون. أجريت nucleate المغلي الدراسات نقل الحرارة على الأسطح ترطيب ماء، مسعور، وغير متجانسة. وتألفت لسطح التبول غير متجانسة من النقاط منقوشة مسعور على سطح ماء. لأنهم وصلوا HTCs أعلى ونفس CHF لسطح متجانسة بالمقارنة مع سطح ماء. تحسن في الغليان نقل الحرارة يعتمد بشكل مباشر على عدد من النقاط على السطح وعلى الظروف الغليان 18.
في هذه الدراسة، تم إنتاج المحوري أنماط القابلة للبلل الهجينة على سطح النحاس اسطوانية باستخدام تقنية تراجع الطلاء. أجريت السباحة المغلي الدراسات نقل الحرارة لتحديد الآثار المترتبة على عدد من interlines وتوجه نمط قابل للبلل الهجين. وقد تم تحليل الغليان تدفق الحرارة، HTC، وديناميات فقاعة لركائز كل المغلفة، ونحنإعادة مقارنة مع الركيزة النحاس.
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…
Divulgations
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).
