Pool-Boiling Wärmeübertragung Enhancement auf zylindrischen Oberflächen mit Hybrid Benetzbare Patterns
Summary
Pool siedenden Wärmeübertragungs Experimente wurden durchgeführt, um die Auswirkungen von Hybrid-Spritzmuster auf dem Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) zu beobachten. Die Parameter der Untersuchung sind die Anzahl der Zwischenzeilen und die Musterausrichtung der modifizierten benetzbare Oberfläche.
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
Ein hoher Wärmefluß erhaltKühlSystems im Bereich von 10 bis 10 Mai W Bereitstellung / cm 2 wird in den Schwellen Bereichen Elektronik, Verteidigungs-, Avionik und Kerngeräteentwicklung erforderlich. Herkömmliche Kühlung mit Luft nicht ausreichend ist für diese Anwendungen aufgrund der geringen Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) sowohl für Frei und erzwungener Konvektion Bedingungen. Die Phasenänderung-basierten Kühltechniken, wie Pool Sieden und Sieden fließen, sind gut genug , um hohe Wärmeströme in der Größenordnung von 10 zu entfernen – 1.000 W / cm 2 1. Da der Zwei-Phasen-Wärmeübertragungsvorgang isotherm ist, wird die gekühlte Gerätetemperatur über seine Oberfläche nahezu konstant. Aufgrund der vernachlässigbaren Variation der Temperatur entlang der Oberfläche, kann der thermische Schock der Vorrichtung beseitigt werden. Allerdings ist die Hauptbegrenzungs Parameter in siedendem Wärmeübertragungs der kritische Wärmefluss (CHF), die einen anormalen Temperaturanstieg verursacht 2 </sup>.
In den letzten Jahrzehnten wurde umfangreiche Forschung durchgeführt , die CHF zu verbessern , indem die Oberflächenmodifikation unter Verwendung Nanoflüssigkeiten und Oberflächenbeschichtungen , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Unter den verschiedenen Methoden, Oberflächenbeschichtungen die beste Methode zur Verbesserung der CHF aufgrund der erheblichen Zunahme der Oberfläche befunden werden. Oberflächenbeschichtungen erhöhen im allgemeinen die Wärmeübertragung durch fin Aktion, Porosität Effekte und Oberflächenbenetzbarkeit 12. Benetzbarkeit der Oberfläche spielt eine bedeutende Rolle Wärmetransfer in siedendem. Frühere Studien zeigen bei niedrigeren Wärmeflussbedingungen, dass die hydrophobe Oberfläche besser HTC aufgrund der frühen Keimbildung zeigt. Doch beihöherer Wärmefluss ist die Ablösung der gebildeten Blasen langsam aufgrund der geringen Affinität von Wasser in Richtung der Oberfläche. Dies führt zu einer Blasenvereinigung und führt zu einem geringeren 3 CHF. Auf der anderen Seite erzeugt eine hydrophile Oberfläche eine höhere CHF, wegen der schnellen Ablösung der gebildeten Blase, aber es gibt eine geringere HTC bei niedrigen Wärmeflüssen, aufgrund der Verzögerung in Blasennukleierung 13.
Die Hybridstrukturen zeigen eine bemerkenswerte Verbesserung Wärmeübertragung für alle Wärmeflüsse aufgrund der kombinierten Wirkung der Hydrophobie und Hydrophilie 14, 15, 16 in sieden. Hsu et al. hergestellte heterogene benetzbare Oberfläche superhydrophilen Si durch Beschichtung Nanopartikel auf einer maskierte Kupferoberfläche. Sie erreichten unterschiedliche Benetzbarkeit Verhältnisse durch die Beschichtungszeit variiert. Der Beginn des Kochens aufgetreten früher auf den heterogenen Oberflächen im Vergleich zu dem Homogeneous Oberfläche, die im wesentlichen die Wand 17 verringert hitzen. Jo et al. Blasensieden Wärmeübertragungs Studien auf hydrophile, hydrophobe und heterogenen Benetzungsflächen durchgeführt. Die heterogene Benetzungsfläche wurde aus hydrophoben gemusterten Punkten auf der hydrophilen Oberfläche bestehen. Sie haben höhere HTCs und die gleiche CHF für die heterogene Oberfläche im Vergleich zu der hydrophilen Oberfläche. Eine Verbesserung in der Siedehitze Übertragung hängt direkt von der Anzahl der Punkte auf der Oberfläche und auf die Siedebedingungen 18.
In dieser Studie axiale hybrid benetzbar Muster wurden auf einer zylindrischen Kupferoberfläche unter Verwendung der Tauchbeschichtungstechnik hergestellt. Pool siedende Wärmeübertragungs Studien wurden durchgeführt, um die Auswirkungen der Reihe von Zwischenzeilen und der Orientierung des Hybrids benetzbar Muster zu bestimmen. Boiling Wärmefluss, HTC, und Blasendynamik wurden für die alle beschichteten Substrate analysiert und wirerneut gegenüber dem Kupfersubstrat.
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).
