27190

تحليل عددي و تجربي استفاده از سطوح تركيبي آب‌گريز و آب‌دوست در بهبود انتقال حرارت در چگالش قطره‌اي

دكتري

مهندسي مكانيك

1397

1401/7/12

حميد صفاري نطنزي

مكانيك

چگالش روي سطح جامد به دو دسته چگالش لايه‌اي و چگالش قطره‌اي تقسيم مي‌شود. مطالعات مختلف نشان داده چگالش قطره‌اي داراي ضريب انتقال حرارت بسيار بالايي نسبت به چگالش لايه‌اي مي‌باشد. چگالش قطره‌اي روي سطحي مي‌تواند وجود داشته باشد كه انرژي سطحي آن پايين باشد. در سال‌هاي اخير محققين براي پايين آوردن انرژي سطحي روي زبر كردن سطح به روش‌هاي مختلف و استفاده از پوشش آب‌گريز روي اين زبري‌ها متمركز شده‌اند. اگر قطرات مايع چگاليده بالاي زبري‌ها قرار داشته و به داخل زبري نفوذ نكنند حالت كيسي و اگر اين قطرات به داخل زبري‌ها نفوذ كرده و فضاي بين زبري‌ها پر شوند حالت ونزل به وجود مي‌آيد. قطرات حالت كيسي بر خلاف حالت ونزل به دليل تماس كمتر با سطح داراي تحرك بالاتري هستند كه يك عامل افزايش انتقال حرارت مي‌باشد ولي به دليل وجود بخار در بين زبري‌ها برخلاف حالت ونزل كه از مايع چگاليده شده پر مي‌شود، داراي مقاومت حرارتي بالاتري است. رساله حاضر تلاش نموده است مدل‌سازي رياضي چگالش را بر روي سطوح تركيبي آب‌دوست و آب‌گريز با درنظرگرفتن جابجايي مارانگوني در سه حالت صاف، كيسي و ونزل به دست آورد تا شناخت بهتري نسبت به عملكردهاي كيسي و ونزل در شرايط مختلف به دست آيد. در اين گزارش روي سطح صاف، كيسي و ونزل مدل‌سازي گرديده است. پس از مدل سازي رياضي، نتايج مدل‌سازي با تست آزمايشگاهي روي سطح قائم دايره اي شكل كه توسط تفلون و ليزر در عرض نوارهاي مشخص به صورت تركيبي آب‌گريز و آب‌دوست شده اند، مقايسه گرديد. در اين پژوهش از تفلون و1-اكتادسيل مركاپتان به عنوان ماده آبگريز كننده استفاده شد. همچنين در اين پژوهش، شبيه‌سازي CFD چگالش تك قطره با درنظرگرفتن جابجايي مارانگوني در حالت تعادل براي سطوح داراي ميكرو نانوساختار كيسي و ونزل و سطح صاف ، مدل سازي رياضي چگالش روي لوله داراي سطح تركيبي آبگريز و آبدوست و تست تجربي روي لوله افقي داراي سطح تركيبي كه توسط 1-اكتادسيل مركاپتان ودستگاه ابزار(رزوه ) آبگريز و آبدوست شده اند، بررسي شد. از نتايج به‌دست‌آمده مي‌توان به اين موارد اشاره كرد: نسبت انتقال حرارت چگالش روي سطح تركيبي آب‌دوست و آب‌گريز به چگالش كاملاً قطره‌اي در زاويه تماس ثابت روي سطح قائم ، عرض بهينه‌اي براي ناحيه آب‌گريز وجود دارد، كه باعث بزرگ‌تر از يك شدن اين نسبت مي‌شود. همچنين براي عدد مارانگوني بزرگ‌تر از 2204 اين پديده غالب مي‌باشد. بنابراين اثر جابجايي مارانگوني نيز در مدل سازي رياضي بررسي گرديد.

1401/07/30

Numerical and experimental analysis using a hybrid surfaces of hydrophobic and hydrophilic in improving heat transfer in dropwise condensation

10/4/2023 12:00:00 AM

Condensation on a solid surface is divided into two categories: layer condensation and droplet condensation. Various studies have shown that droplet condensation has a very high heat transfer coefficient compared to layer condensation. Drowise condensation can exist on a surface that has a low surface energy. In recent years, to lower the surface energy, researchers have focused on roughening the surface in different ways and using a hydrophobic coating on these roughnesses. If the condensed liquid droplets are located above the roughness and do not penetrate into the roughness, the Cassie state occurs, and if these droplets penetrate into the roughness and fill the space between the roughness, the Wenzel state occurs. Unlike the Wenzel mode, Cassie mode droplets have higher mobility due to less contact with the surface, which is a factor of increasing heat transfer, but due to the presence of steam between the roughnesses, unlike the Wenzel mode, which is filled with condensed liquid, it has a higher thermal resistance. This thesis has tried to obtain mathematical modeling of condensation on hydrophilic and hydrophobic mixed surfaces by considering Marangoni displacement in three states, smooth, Cassie and Wenzel, in order to obtain a better understanding of the functions of Cassie and Wenzel in different conditions. In this report, Cassie and Wenzel have been modeled on a smooth surface. After the mathematical modeling, the modeling results were compared with the laboratory test on the vertical circular surface that was made hydrophobic and hydrophilic by Teflon and laser in specific strips. In this research, Teflon and 1-octadecyl mercaptan were used as water repellants. Also, in this research, CFD simulation of single droplet condensation considering Marangoni displacement in equilibrium for surfaces with Cassie and Wenzel micro-nanostructures and smooth surface, mathematical modeling of condensation on a pipe with a combined hydrophobic and hydrophilic surface and experimental testing on a horizontal pipe with a mixed surface which were made hydrophobic and hydrophilic by 1-octadecyl mercaptan and tool (thread) was investigated. From the obtained results, we can point out the following: the heat transfer ratio of condensation on a combined hydrophilic and hydrophobic surface to full dropwise condensation at a fixed contact angle on a vertical surface, there is an optimal width for the hydrophobic area, which makes this ratio greater than unity. Also, this phenomenon is dominant for the Marangoni number greater than 2204. Therefore, the effect of Marangoni displacement was also investigated in mathematical modeling.

چگالش قطره‌اي , مدل‌سازي رياضي , انتقال حرارت , كيسي و ونزل , سطوح تركيبي

dropwise condensation , mathematical modeling , heat transfer , Cassie and Wenzel , hybrid surfaces

ehsan aminian

hamid saffari