Piscine d'ébullition Amélioration de transfert de chaleur sur des surfaces cylindriques avec des modèles hybrides mouillables
Summary
Des expériences de transfert de chaleur-piscine à point d'ébullition ont été pour observer les effets des modèles hybrides mouillable sur le coefficient de transfert de chaleur (HTC). Les paramètres de recherche sont le nombre d'interlignes et l'orientation du motif de la surface mouillable modifiée.
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
Un système de maintien de flux de chaleur élevé fournissant de refroidissement dans la plage de 10 à 10 mai W / cm 2 est requise dans les domaines émergents de l' électronique, de la défense, de l' avionique, et le développement de l' appareil nucléaire. refroidissement classique avec de l'air est insuffisante pour ces applications en raison du faible coefficient de transfert de chaleur (HTC) pour les deux conditions free- et à convection forcée. Les techniques de refroidissement à base de changement de phase, tels que l' ébullition de la piscine et le débit d' ébullition, sont suffisamment bons pour enlever des flux de chaleur élevés de l'ordre de 10 – 1 000 W / cm 2 1. Etant donné que le processus de transfert de chaleur à deux phases est isotherme, la température du dispositif refroidi est pratiquement constante sur toute sa surface. En raison de la variation négligeable de la température le long de la surface, le choc thermique du dispositif peut être éliminé. Cependant, le principal paramètre limitant à point d' ébullition de transfert de chaleur est le flux de chaleur critique (CHF), ce qui provoque une élévation anormale de température 2 </sup>.
Au cours des dernières décennies, des recherches approfondies ont été menées pour améliorer la CHF à l'aide d'une modification de surface, nanofluides et revêtements de surface 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Parmi les différentes méthodes, les revêtements de surface se trouvent être la meilleure méthode pour améliorer la CHF en raison de l'augmentation substantielle de la surface. Les revêtements de surface augmentent généralement le transfert de chaleur par l' action des nageoires, des effets de la porosité, et la mouillabilité de la surface 12. mouillabilité de surface joue un rôle important dans l'ébullition de transfert de chaleur. Des études antérieures montrent que, à la baisse des conditions de flux de chaleur, la surface hydrophobe montre mieux HTC en raison de la nucléation précoce. Cependant, àle flux de chaleur plus élevé, le détachement des bulles formées est lente en raison de la faible affinité de l'eau vers la surface. Cela conduit à la coalescence des bulles et se traduit par une faible CHF 3. D'autre part, une surface hydrophile produit une CHF en hausse, en raison du détachement rapide des bulles formées, mais il donne un HTC plus faible à faible flux de chaleur, en raison du retard dans la nucléation des bulles 13.
Les structures hybrides montrent une amélioration remarquable dans l' ébullition de transfert thermique pour tous les flux de chaleur due à l'effet combiné d'hydrophobicité et d' hydrophilicité 14, 15, 16. Hsu et al. produit hétérogène surface mouillable par revêtement superhydrophile Si nanoparticules sur une surface de cuivre masquée. Ils ont obtenu des rapports de mouillabilité en faisant varier le temps de revêtement. Le début de l'ébullition a eu lieu plus tôt sur les surfaces hétérogènes par rapport à l'homogeneous surface, ce qui réduit sensiblement la paroi 17 de surchauffe. Jo et al. -mené des études de transfert de chaleur d'ébullition nucléée sur les surfaces de mouillage hydrophiles, hydrophobes, et hétérogènes. La surface de mouillage hétérogène est composée de points à motifs hydrophobes sur la surface hydrophile. Ils ont obtenu les CTH plus élevés et la même CHF pour la surface hétérogène par rapport à la surface hydrophile. Une amélioration de l' ébullition de transfert de chaleur dépend directement du nombre de points sur la surface et sur les conditions d'ébullition 18.
Dans cette étude, les modèles hybrides mouillables axiales ont été produites sur une surface de cuivre cylindrique en utilisant la technique de revêtement par immersion. Des études de transfert de chaleur piscine d'ébullition ont été réalisées pour déterminer les effets du nombre de interlignes et de l'orientation du motif mouillable hybride. Ébullition flux de chaleur, HTC, et la dynamique des bulles ont été analysés pour les substrats revêtus et nous tousre par rapport au substrat en cuivre.
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).
