调查改善池沸腾传热特性使用Laser-Textured Copper-Grooved表面

文摘

改善性能的池沸腾临界热通量的池沸腾,提高传热系数,通过表面改性技术获得了大量的关注。这些表面可以在不同尺度上进行修改使用各种技巧。然而,随着性能改善,表面改性的耐用性和稳定性是非常重要的。激光加工是一个非常有吸引力的选择在这方面获得了很多的关注。在目前的实验研究工作,copper-grooved表面池沸腾由于性能通过微微秒激光加工方法的研究。修改后的表面的性能与普通表面作为参考。在这方面,三个方形槽模式相同的音量(100μ(100米)和宽度μ米),但不同深度(30、70和100μ米)。得到不同深度不同激光扫描速度的机器。除了微通道效应,激光加工过程中晶粒结构创建额外的成核站点,这已被证明其有效性改善池沸腾的性能。在各方面,池沸腾槽laser-textured表面显示增加了表面的性能描述与铜的表面。

1。介绍

池沸腾传热是一个复杂的方法与沸腾表面浸和暴露的饱和液体和热量的传递发生在加热元件表面上。还可以提高传热表面改性(1]。汽化潜热是观察高传热系数的原因,发生在沸腾过程。泡核沸腾的去除是一个高效的过程大量的热量加热表面用最小的表面温度的变化(2]。引人注目的应用这个过程是两阶段热交换器和蒸发器,锅炉和蒸汽发生器、电子冷却核反应堆燃料等。3]。最重要的池沸腾传热过程技术包括传热系数(HTC),过热沸腾初期温度和临界热流密度(CHF)。努力制造过程降低各种参数包括增加瑞士法郎,初期过热沸腾,宏达电(4]。

在过去的几十年中,研究者们关注关注表面改性技术的发展。它被认为是沸腾现象深刻地取决于所使用的表面及其与流体的相互作用。池沸腾参数的效应可以增强HTC和瑞士法郎(5]。表面改性在不同尺度中获得很多的关注研究人员加强池沸腾的传热特性。这些结构修改表面形态、表面粗糙度和表面的润湿性。尽管这些技术生产改进的性能,其耐用性和耐力是一个严重的问题,这需要持久的表面改性方法的应用。激光加工是一种有效的方法来修改沸腾表面,和许多作品在这方面报道(6]。

池沸腾表面的微/纳米结构和表面润湿性的影响可以改变使用激光纹理。功能化金属表面可以生成使用一个超速微微秒激光加工技术修改的池沸腾传热过程的自控微/纳米结构加工(7]。在这项研究中,我们关注的是调查的影响交联凹槽与池沸腾传热关联。最重要的是,槽的深度的影响进行实验工作。凹槽与恒定宽度和间距和不同深度在铜表面的使用微微秒激光纹理。调查表面处理激光加工已经进行了一些研究人员在过去,他们发现池沸腾的性能改善。Piasecka [8)进行了一项研究的强化沸腾传热的fc - 72。激光microdrilling技术是应用于这种技术来创建一个微通道的海恩斯- 230 alloy-based金属箔fc - 72的流动,从而提高了沸腾的表演。355纳米波长的Nd: YAG激光发光矩阵用于封面和钻槽的海恩斯- 230 alloy-based金属箔。材料融化为一层装有猛与输入微槽直径为10μ3 - 2 m和深度μm是每100统一安排在两个方向μm导致沸腾初期发生的热通量不如纯金属箔。这形成了热通量的增加由于沸腾初期发生的早些时候检查表面。

索莫斯和耶基斯9]调查比较研究在流动沸腾的增强性能通过对流传热使用r - 134 a工作流体在铝表面通过两种不同的技术:激光烧蚀和反应离子刻蚀。大约90 - 100%的池沸腾HTC在Al金属表面增强激光消融。laser-ablated表面池沸腾HTC高于活性ion-etched铝表面池沸腾的HTC和也很高于裸露的金属表面。克鲁斯et al。10)进行试验研究功能化多尺度微/纳米金属表面池沸腾传热。飞秒激光表面处理(FLSP)技术用于制造mount-like多尺度微/纳米结构,涂一层一层地自办纳米颗粒。最大的瑞士法郎(142 W /厘米²)和最大宏达电(67400 W / m²在29°C K)获得了处理过的样品。这些获得高瑞士法郎和高HTC被夸大了的增加与网站相关的成核密度和表面区域。这些都是高亮显示的主要原因升级瑞士法郎和传热。

Zupančičet al。11)进行了一项研究biphilic表面池沸腾的影响。沸腾表面池沸腾效应诱导形成的biphilic表面不锈钢箔,使用激光治疗是捏造的。最初,池沸腾表面(不锈钢箔)是高度涂有疏水性涂层。随后,hydrophobic-coated沸腾表面通过激光表面改性处理得到改变成superhydrophilic表面。高瑞郎CHF(350%)是实现laser-treated biphilic比裸不锈钢箔表面。有核泡沫直径减少,此外,成核频率增加了较小的疏水点的设计。然而,沸腾的发端和高HTC是提升与低热量通量大的疏水区域。齐次和非齐次可湿的的表面图案表面的沸腾传热激光纹理,和齐次和非齐次可湿的表面受到的影响进行调查。发现池沸腾的行为更有效的增强和高度激活在非齐次润湿性12]。

Grabas [13)研究了在激光熔池沸腾传热效应与DDH表面₂O作为工作流体。这个激光熔化过程已发现修改沸腾表面的表面粗糙度在更大程度上,结果获得了超过四倍增强HTC和瑞士法郎。最近,许多其他作品报道涉及laser-treated表面池沸腾传热影响的技术。因此,它显然是规定,laser-treated表面高效提高池沸腾的性能。因此,这项工作的影响提供了一个新颖的方法来研究laser-treated表面沟槽的深度优化使用微微秒激光加工工作液的润湿性变化获得superhydrophilic表面。本研究进行的池沸腾传热研究laser-textured表面不同深度的凹槽和得出的池沸腾传热强化与裸铜表面。

2。池沸腾实验装置

实验进行铜表面裸露的媒介与laser-treated表面建模的实验装置和捏造研究池沸腾特性涉及与DI H₂O作为工作流体。实验设置如图1有安排,包括沸腾室、热输入系统,数据采集系统,温度和压力调制系统。热输入安排由嵌入的铜块六筒加热器(WATLOW Firerod)在底部一侧的铜块,以便产生恒定的热通量。直流稳压电源是用于操作筒加热器加热铜块。消除径向方向的热损失,铜加热部件与聚四氟乙烯绝缘配件,证实了在一维热传导流温度在不同的热通量。它可以确保获得线性的是1在不同热流值。加强铜样品5毫米的半径被认为是试样。试样的底部是高热导电胶(完美的结合在一起 )顶部的铜加热块试样和加热器部件。因此,热电偶(k)与一个半径为0.5毫米的尺寸和精度±0.5°C插入计算热通量在轴向方向上的铜试样。铜试样表面温度可以观察到这些从热电偶读数;它是用来找出热通量,温度梯度,以及传热系数。

饱和条件下的水达到了二级加热器(500 W),在沸腾室是固定的。辅助加热器用于保持沸腾流体的饱和的临界点通过使用一个温度控制器,接收通过RTD温度沸腾的液体。冷却单元和冷凝器线圈是用来保持沸腾室在一个大气压力条件下冷凝蒸发的蒸汽,这样的安排是用来保持沸腾流体室的标准水平。实验期间,沸腾的压力室连续监控的压力变送器(WIKA S-10)。热电偶和压力传感器读数记录由一个数据记录器使用一台电脑。冷凝盘管、压力变送器和RTD强烈固定在箱盖,避免蒸汽流室的外面。

3所示。实验的程序

最初,充满了DI水在沸腾室加热消除非冷凝气体。去除气体后,冷却器来维持液位和压力室。当液体达到饱和状态,筒加热器提供电力。泡沫初期事件被高速相机。一旦沸腾的提升者,温度值被发现在稳定状态下热通量增加。在阅读、辅助加热器被关闭,以避免动荡。突然温度在表面观察拍摄。与之前的热通量是临界热通量。这个过程重复所有修改后的表面,和性能比较。热线性试验是在加热室确认进行一维热传导。 Also, repeatability test was confirmed by carrying out the boiling test for three times for each individual surface.

4所示。数据分析

铜加热块圆柱端紧与聚四氟乙烯绝缘接头和玻璃棉,以确保在一维热传导。池沸腾的性能可以与热通量的帮助下,研究表面温度和传热系数。实验条件的州,在一维热传导导致确定的热通量计算轴向方向的温度梯度测试标本的方程(1)[14] 在哪里规定导热铜(390 W /可)、斜率温度( )可以从近似检索系列(泰勒向后系列)在方程(2),投影面积的临界热通量(W /厘米吗²)的铜标本。 那里的温度 , ,和可以计算的距离之间的热电偶固定轴向沿铜试样(3毫米之间的距离 和 )。一维热传导方程可以重新安排测量铜试样的表面温度使用方程(3),

由热电偶测量温度在3毫米的距离已嵌入铜试样的表面。方程(4)用于计算对流边界层的传热系数对热通量和表面与流体之间的温差15]。 在哪里表面温度和吗在饱和液体的温度条件。

5。加工表面的改性

的示意图表示微微秒激光设备如图2实现槽表面,picosecond-pulsed Nd: YAG激光波长532 nm,脉冲频率45 kHz,脉冲宽度650 ps,光束直径90μ在这项研究中采用。的深度microgrooves改变通过改变输出功率(0.7,1.5,和2.9 J /厘米²)的激光1]。皮秒激光器的输出功率保持不变在3 W和扫描速度30 mm / s。在这个实验中,我们有不同的数量为1,3,5,获得不同的深度。标本放在一个可编程计算机控制的自动运动阶段。在激光器结构,样品放置在一个环境条件下密封室。应该注意的是,样品放置在大气条件下激光辐照前后。扫描分离线或沥青用“a”就像两个相邻激光线之间的距离。同样,宽度和深度的激光线被指示为“w”和“d”。在这种情况下,三种改性表面在恒定的宽度和间距和不同深度如表所示1。

图3像的光学图像laser-textured表面。我们可以清楚地看到交联槽模式。润湿性测试表明,所有修改后的表面是亲水的性质和润湿性相比大大提高了飞机的铜表面纹理。

图4显示了laser-textured表面的扫描电子显微镜图像,使用扫描电镜技术观察。自LTs_1深度为80微米的至少三个样本,融化的铜流没有太多障碍提供光滑的表面(换句话说,少突起或相对粗糙度)。然而,LTs_2样本100微米的深度不允许轻易流。因此,结果在这些样本更突出。在LTs_3,样本的深度进一步增加到120微米。不仅融化铜阻塞,但树突的形成也凝固形成更深层次的突起(换句话说,相对粗糙度增加)。

6。结果与讨论

基本目标是发音的影响laser-textured槽表面池沸腾传热特性。这些沟槽表面组装使用微微秒激光表面处理,制定表面粗糙度在微米和纳米尺度(16]。在沸腾过程中,蛀牙形成由于表面粗糙度影响的泡沫动力学消除laser-textured表面的热量。的深度laser-textured表面受到的密度和大小蛀牙。因此,laser-textured表面深度的角色很有趣检查池沸腾传热性能。裸铜和三个laser-textured表面与可变深度(~ 30μm ~ 70μ100 m, ~μ米)被用来进行实验观察池沸腾的性能。实验最初非常低的热通量,并进一步增加相当大的热通量的增加缓慢,直到它到达样品表面临界热通量。

沸腾的性能laser-textured表面被去离子水处理相比,流体与裸铜表面的基线。数据5和6清楚地解释为不同laser-textured表面池沸腾的性能和裸露的铜表面。有一个激烈的区别和加工表面的传热特性,可以通过数据分析5和6。在每一个表面温度,加工表面池沸腾的表现持续改进比未经处理的表面。证明,laser-textured表面显示沸腾的性能比裸铜表面的曲线走向左而上。

沸腾的初期过热启动laser-textured表面的泡沫生成以非常低的墙过热值比裸露的铜表面。图5表明,发生在裸露的铜表面的沸腾的发端是约10.9°C;热通量相当于7.7 W /厘米²但在7.0°C沸腾发起laser-textured表面LTs_1和进一步降低网格变形的深度的增加到6.3°C和5.2°C相应laser-textured表面LTs_2 LTs_3,分别。沸腾的百分比发端的深度与裸露的表面网格laser-textured表面减少33.9%,42.2%,和52.2%,分别。

成核密度有重要作用减少初期过热沸腾的百分比laser-textured表面(17]。由于激光纹理,融化的金属发生结果为固化纳米晶体(18]。此外,槽区域影响成核场所增加表面积。这就增加了成核的网站作为一个整体。铜表面激光纹理增加大量的蛀牙的发生产生结果正如上面所讨论的。这些龋齿增加滞留空气网站的数量的减少导致初期过热沸腾的百分比。处理过的表面纳米和微尺度特性增加了大量的微米大小的蛀牙产生更多的成核的网站与较小的能量被激活。有效成核站点的数量可以增加而laser-textured表面的深度增加而广泛的空腔大小。这个制定创建更加活跃的成核容易在低表面过热的价值观。安全的操作限制在池沸腾传热强化技术到达瑞士法郎。

图5清楚地表明,瑞士法郎值laser-textured表面增加关于裸铜的表面。瑞士法郎对裸露的铜表面111.3 W /厘米²在过热表面28.9°C,而瑞士法郎的百分比增加laser-textured表面是81.5%,92.9%,和103.3%的表面LTs_1, LTs_2和LTs_3分别。从图5,表面为不同laser-textured表面过热温度降低。很明显观察到的裸铜表面显著降低表面过热观察和进一步提高减少laser-textured表面的深度的增加。这显然表示深度的增加laser-textured表面对瑞士法郎的提高有一个乐观的影响。微结构几何可以进一步解释为什么laser-textured表面有更多的瑞士法郎的价值观。从图3,微观结构之间的区域增加样品LTs_1 LTs_3。在样本中,LTs_3有更多地区由密集的深谷形成网络结构,狭窄的通道和微裂缝形成微观结构之间的关系。加工期间,皮秒激光解决了纳米粒子的微观结构在网络渠道LTs_3 LTs_2相比,由于其较高的深度和LTs_1。发展高毛细管吸汗效果快速使用冷流体加热表面蒸发之后,当地的发生导致临界热通量的延迟。相反的,在其他样本,通道是不能正常形成由于微观结构尺寸的增加导致微观结构之间的深坑的形成。表面的毛细作用潜力减少是由于深坑和黑洞的形成,和纳米颗粒的存在层覆盖堆结构主导毛细作用的效果。瑞士法郎价值最高的226.3 W /厘米²LTs_3样品中可观察到,即使它有一个更大的峰谷的高度。但吸汗能力缺乏是由于更大的微观结构间距LTs_3样本可以补偿致密微观结构的表面积。因此,毛细管表面的毛细作用效应和表面润湿性能导致增强的瑞士法郎laser-textured表面。

Laser-textured表面也提高传热系数的值相比为裸铜表面显示的结果。从图6,它清楚地表明,增加激光纹理在铜表面的深度增加了传热系数和被发现3.85 W /厘米²k比例增加LTs_1 HTC, LTs_2,和LTs_3裸铜表面是109.9%,132.4%,和153.4%,分别。微观结构的形成在皮秒激光加工铜表面就像散热鳍片去除表面的热量。随着微观结构的高度增加,热量除去表面也增加,改善了表面的冷却效率,因此,HTC正在增加。HTC的价值比LTs_1持续高LTs_3样本和LTs_2样本。的整体增强HTC的表面与腔密度的增加和提升能力泡核沸腾。曲线的斜率比发散点增加(120 W /厘米²)与微观结构的峰谷高度有关。可以看出,曲线的斜率变化组织的高度的增加而增加。在高热通量,激活增强传热系数,laser-textured混合槽表面被激活的高表面面积比和著名的高大的微观结构的性质以及更高的成核的网站。

7所示。结论

池沸腾传热性能的试验研究,研究了通过影响深度的影响在laser-textured槽表面。同时,它导致瑞士法郎的增加和HTC的laser-textured表面。事实证明,瑞士法郎的特点和传热系数与深度的增加可以增加laser-textured沟槽的表面。沸腾的初期温度最终得到减少蛀牙和微米大小作为沸腾的成核点。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢2019年ASME ICNMM 17纳米通道国际会议上,巩膜,Minichannels接受prepresentation海报的主题。

引用

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