19546

۱۹۵۴۶

تحليل تئوري و تجربي استفاده از ميكرو - نانو ساختارها در بهبود انتقال حرارت در چگالش قطره‌اي

دكتري

تبديل انرژي

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۷/۲۱

دكتر حميد صفاري

مكانيك

چگالش بر روي سطح به دو صورت قطرهاي و لايهاي ايجاد مي‌شود. چگالش لايه‌اي عمومي‌ترين شكل چگالش است كه در آن يك لايه‌ي مايع كل سطح را ميپوشاند. درحاليكه در چگالش قطره‌اي مايع چگاليده به‌صورت قطراتي مجزا بر روي سطح پديدار مي‌شود. رشد، تركيب و در نهايت سُر خوردن قطرات در چگالش قطرهاي به نحوي صورت مي‌گيرد كه همواره بخش‌هاي زيادي از سطح در تماس مستقيم با بخار است؛ بنابراين به دليل مقاومت حرارتي كمتري كه بين بخار و سطح در چگالش قطره‌اي به وجود مي‌آيد، ضريب انتقال حرارت اين نوع از چگالش بسيار بالاتر از چگالش لايهاي است. چگالش قطره‌اي بر روي سطوح آب‌گريز‌ انجام ميشود. نقش اصلي در شكل‌گيري آب‌گريز‌ي بر روي سطوح بر عهده ميكرو-نانو ساختارهاست؛ بنابراين مهم‌ترين گام‌ در مطالعه چگالش قطره‌اي بررسي نقش ميكرو-نانوساختارها در شكل‌گيري آب‌گريز‌ي است. در اين تحقيق نقش ميكرو-نانو ساختارها بر روي چگالش قطرهاي و آب‌گريز‌ي به لحاظ تئوري و آزمايشگاهي مورد بررسي قرار مي‌گيرد. براي اين كار ابتدا به‌صورت آزمايشگاهي سطوح آب‌گريز‌ و ابرآب‌گريز‌ به روشهاي مختلف توليد مي‌شود. اثر ميكرو نانو ساختارها در اين بخش با ابزارهايي نظير ميكروسكوپ الكتروني و تحليل پرتو ايكس بررسي شده است. در حوزه تئوري، اثر پارامترهاي مختلف دخيل در چگالش قطره‌اي نظير شكل و ابعاد هندسي، پراكندگي و چيدمان زبري بر روي چگالش قطرهاي بررسي شده است. از اين قسمت مشخص شد كه با افزايش ارتفاع ميكرو-نانوساختارها (تا حدود 8 برابر)، مستقل از نوع پيكره‌بندي قطره، ضريب انتقال حرارت (تا حدود 7 برابر) كاهش مييابد. در قسمت بررسي آزمايشگاهي نيز پس از تعيين الزامات دستگاه آزمون چگالش، يك دستگاه جهت بررسي انتقال حرارت چگالش طراحي و ساخته شده است. نتايج اين قسمت نشان ميدهد زمان پوشش دهي 30 دقيقه و غلظت 0.025 ميلي اكتادكان تيول در حدود 5 برابر انتقال حرارت بهتري در چگالش قطرهاي روي صفحه صيقلي پوشش داده شده نسبت به حالت چگالش لايهاي بدست ميآيد. در بخش بررسي آزمايشگاهي چگالش قطرهاي از روش الكترونشست براي ايجاد ميكرو-نانوساختار بر روي سطوح مورد آزمون استفاده شد. نتايج نشان داد كه در زمان‌هاي بالاي فرايند الكترونشست (۷۵ و ۱۳۵ ثانيه) و نيز اختلاف دماي كمتر از ۱۵ درجه، ضريب انتقال حرارت چگالش قطرهاي در حدود 2.5 برابر نسبت به چگالش لايهاي بهتر شده است.

1397/07/29

Theoretical and Experimental Study of Using Micro-Nano Structures in Enhancement of Dropwise Condensation Heat Transfer

10/13/2019 12:00:00 AM

Condensation occurs on surfaces in two distinct modes including dropwise and filmwise one. The filmwise condensation is the most common form of this regime in which a thin condensate layer covers the surface. In dropwise condensation, the condensate forms as distinct droplets on the surface. Growing, coalescence and finally falling up of the droplets in dropwise condensation is so that some of the surface is bare of the condensate in every instant. Due to lower thermal resistance between the vapor and the surface occurring in dropwise condensation, the heat transfer coefficient of this regime of heat transfer is much higher than the filmwise condensation. Dropwise condensation occurs on hydrophobic surfaces. Micro-nano structures have the main role in the appearing the hydrophobicity. Therefore, the main step in studying dropwise condensation is an investigation on the role of micro-nano structures on the formation of hydrophobicity. In this study the role of micro-nano structures on dropwise condensation and hydrophobicity is studied from theoretical and experimental point of view. To do this, first, hydrophobic and superhydrophobic surfaces are fabricated using some methods like as etching, oxidation, electrodeposition, and anodization. The effect of micro-nano structures are studied using different tools such as SEM images and X-ray difractometry in this section. In the theoretical study, the effects of different parameters such as the shape, dimensions, dispersion, roughness arrangement and morphology of a droplet are studied. From this section it has been revealed that by increasing the height of micro-nano structures (by about 8 times), independent from the morphology of the droplet, heat transfer coefficient is decreased (up to about 7 times). In the experimental study section, first, a condensation experimental apparatus is designed and fabricated based on the requirements revealed from the literature. The results show that the coating time 30 min and concentration 0.025 M of octadecanethiol improves heat transfer by about 5 times on a flat coated surface with respect to a flat surface. The electrodeposition method is used to produce the micro-nano structures on the copper surfaces in this section. The results show that in longer electrodeposition times (135 and 75 sec) and in low subcooling temperatures, dropwise condensation has a better performance than filmwise condensation (by about 2.5 times).