23361

بهبود فرآيند جوشش استخري با استفاده از كنترل مراكز هسته زايي و تركيب روش هاي تاثيرگذار

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژ ي

1397-1399

1399/12/25

دكتر حميد صفاري

دكتر سيد مصطفي حسينعلي پور

مهندسي مكانيك

جوشش استخري فرايندي است كه در آن سطح گرم با دماي بيشتر از اشباع سيال، درون حجم زيادي از سيال ساكن قرار مي گيرد. اين فرايند كه با تغيير فاز سيال همراه است، توانايي بالايي براي برداشت حرارت دارد. از آنجا كه جوشش استخري به طور گسترده اي در بسياري از صنايع مدرن مورد استفاده قرار مي گيرد، نياز به بهبود آن منجر به توسعه روش هاي جديد شده است. يكي از روش هاي جديدي كه تاكنون مطالعات كمي روي آن انجام شده است، ايجاد سطوح با هدايت گرمايي دوگانه است. در مطالعه تجربي حاضر، در طي سه مرحله آزمون، تأثير گام، عرض و عمق كانال هاي داراي ضريب رسانايي گرمايي پايين بر بهبود فرايند جوشش استخري ارزيابي شد. اين كانال ها بر روي سطح مس به عنوان ماده اي با ضريب رسانايي گرمايي بالا واقع شدند تا سطح با هدايت دوگانه را تشكيل دهند. در طي هر مرحله آزمون، يك پارامتر متغير و دو پارامتر ديگر ثابت بودند تا اثر هر پارامتر به صورت مجزا ديده شود. براي ساخت نمونه ها در ابتدا با تراشكاري، نمونه هاي ساده مسي تهيه شدند، سپس توسط ماشينكاري تخليه الكتريكي شيار خورده و درون شيارها با مخلوطي از چسب اپوكسي و سيليكا ايروژل آبدوست پر شدند. در ادامه آزمون هاي جوشش استخري در فشار اتمسفر و با آب ديونيزه، با بررسي شهودي شكل گيري و جدايي حباب ها انجام شد. طبق نتايج بدست آمده، نمونه 4 با گام كانالmm 2/5، عرضmm 0/5، و عمق mm 0/3 به شار حرارتي W/cm^2 103/9 و ضريب انتقال حرارت W/cm^2.K 7/6 رسيد كه به ترتيب 62% و 58% بهبود نسبت به سطح ساده محسوب مي شود. انتخاب بهترين گام كانال منجر به كاهش 21 درصدي قطر خروجي حباب و به تبع آن افزايش فركانس جدايي حباب شد. افزايش عرض كانال به مقدار مطلوب mm 1/5 منجر به رخ دادن پديده تمركز حرارتي و بهبود ضريب انتقال حرارت تا 146% در شارهاي حرارت پايين شد. در سري تغييرات عمق كانال، كمترين مقدار عمق برابر mm 0/3 بهترين عملكرد را در بهبود انتقال حرارت داشت. در تحليلي ديگر با مقايسه سه روش كانال هاي تماماً پر، يك در ميان پر، و تماماً خالي مشخص شد در حالتي كه كانال ها تماماً پر هستند، مي توان در دماي مافوق گرم كمتري به شار حرارتي بيشينه دست يافت. آزمون اِيجينگ زاويه تماس براي مخلوط اپوكسي نشان داد اين ماده از پايداري زاويه تماس قابل قبولي برخوردار است و نتايج حاضر قابل توليد مجدد هستند. در انجام تحليل زاويه تماس مشاهده شد كه زاويه تماس قطره آب در هر موقعيت قرارگيري بر روي كانال ها كاهش مي يابد. مطالعه حاضر درك مناسبي از تأثير ويژگي هاي ابعادي كانال هاي داراي رسانايي پايين كه موجب آبرساني بهتر به سطح گرمكن و ايجاد مسير هاي جداگانه آب و بخار مي شوند، فراهم كرده است.

1400/01/29

Pool boiling enhancement by controlling nucleation sites and combining effective methods

3/16/2022 12:00:00 AM

Pool boiling is a process in which a hot surface with a temperature higher than the fluid saturation is placed inside a large volume of stagnant fluid. This process, which is accompanied by the phase change in the fluid, has a high ability to dissipate heat. Since pool boiling is widely used in many modern industries, the need to enhance it has led to the development of new methods. One of the new methods on which few studies have been done so far is creating bi-conductive surfaces. In this study, in three series of experiments, the effect of pitch, width, and depth of low-conductive channels were investigated. These channels were placed on the copper surface as a material with a high thermal conductivity to form a surface with bi-conductivity. In each series, one parameter was variable and the other two parameters were fixed to see the effect of each parameter separately. For surface modification, plain copper samples were prepared by lathing, then grooved by electric discharge machining and then inside of the grooves were filled with a mixture of epoxy adhesive and hydrophilic silica aerogel. Pool boiling experiments were conducted with deionized water at atmospheric pressure which accompanied by bubble visualization. According to the results, sample 4 with 2.5 mm pitch, 0.5 mm width, and 0.3 mm depth reached a heat flux of 103.9 W/cm^2 and heat transfer coefficient of 7.6 W/cm^2 K, which is 62 % and 58 % improvement compared to the plain surface, respectively. Channel's pitch best selection resulted in 21 % reduction in bubble departure diameter. Increasing the channel's width to an optimal value of 1.5 mm leads to thermal concentration and improving HTC up to 146 % in low heat fluxes. In the depth variation series, the lowest value of 0.3 mm had the best performance in improving heat transfer. In another analysis, comparing the three modes of full channels, alternatively full channels, and empty channels, it was found that in the mode of full channels, the maximum heat flux can be achieved at lower superheat temperature. Contact angle aging test for epoxy mixture showed that the material used has acceptable contact angle stability and the present results can be reproduced. In the contact angle analysis, it was observed that the contact angle of the water droplet decreases in any position on the epoxy channels. The present study provides a good understanding of epoxy channels' dimensional characteristics impact on pool boiling heat transfer.

جوشش استخري , بهبود انتقال حرارت , كنترل مراكز هسته زايي , سطوح با هدايت دوگانه

Pool Boiling , heat transfer enhancement , Controlling nucleation sites , Bi-conductive surfaces