Mejora de la piscina de ebullición de transferencia de calor en superficies cilíndricas con los patrones de humectables Híbridos
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.
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 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 </sup>.
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.
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
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