27015

مطالعه تاثير اصلاح ساختار سطح براي بهبود جوشش استخري

دكتري تخصصي

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

1396-1401

1401/06/20

دكتر حميد صفاري نطنزي

مهندسي مكانيك

فرآيند جوشش به دليل دارا بودن ضريب انتقال حرارت بالا نسبت به ساير مكانيزم‌ها از اقبال بسيار خوبي در صنعت برخوردار است. روش هاي تركيبي به كار برده شده در سال هاي اخير و توسعه سريع فناوري هاي مهندسي، كمك قابل توجهي به بهبود انتقال حرارت جوششي كرده است. از جمله عوامل مؤثر در فرآيند جوشش استخري مي توان به خواص سطح نظير ترشوندگي، زبري، تخلخل و توپوگرافي سطح اشاره نمود. در اين رساله هدف بهبود انتقال حرارت در فرآيند جوشش استخري و دستيابي به راندمان حرارتي بالاتر با تمركز بر تغيير در ساختار سطح در مقياس هاي ميكرو/ نانو و ايجاد تغيير در پارامترهاي موثري همچون زبري، تخلخل و ترشوندگي سطوح با به كارگيري يك يا چند روش به صورت همزمان از جمله: روش هاي وايركات، حكاكي شيميايي، فتوليتوگرافي، الكترونشست، پوشش دهي دوراني، الكترواسپري همچنين استفاده از فوم هاي فلزي سلول باز در مقياس هاي ميكرو/ نانو است. از اين رو، به جهت تقويت و كنترل مراكز هسته زايي حباب ها، بهينه سازي موقعيت قرارگيري مراكز هسته زايي، همچنين بهبود شكل گيري و جدايي حباب با ايجاد تغيير در مورفولوژي سطح، ايجاد مساحت افزوده، ايجاد تغيير در خواص موثر سطح و ساخت سطوح آب دوست و آب گريز، اعمال بهبود انتقال حرارت در فرآيند جوشش استخري هدف گذاري مي شود. نتايج نشان دادند، كه ايجاد سطوح ميكرو/ نانو ساختار عاملي بسيار تاثيرگذار براي بهبود عملكرد جوششي است. مطابق با نتايج آزمون جوشش، ضريب انتقال حرارت براي سطح كانال دار با زاويه °15 ساخته شده توسط روش وايركات و سطح با الگوي فين هاي مربعي متخلخل به ابعاد 60μm ساخته شده با روش فتوليتوگرافي به ترتيب داراي بهبود % 200 و % 178 نسبت به سطح ساده است. همچنين طبق نتايج بدست آمده در بخش سطوح با هدايت دوگانه، افزايش عرض كانال به مقدار مطلوب 1/5mm منجر به رخ دادن پديده تمركز حرارتي و بهبود ضريب انتقال حرارت تا % 146در شارهاي حرارتي پايين شد. در بخش ديگر از رساله حاضر، بيشينه شار حرارتي حاصل‌شده براي نمونه لايه نشاني شده توسط ذرات SiO_"2" با روش الكترواسپري با گام و عرض الگوي آب گريز 1mm در بيشترين مقدار شار حرارتي با % 135 افزايش به مقدار W/cm^2 "107/96" و ضريب انتقال حرارت با %140 بهبود نسبت به سطح معمولي به مقدارW/cm^2 K "11/48" رسيد. همچنين نتايج نشان دادند كه فوم سلول باز مسي الكترونشست شده 20PPI ، با ضخامت 4 ميلي متر، بهترين عملكرد را داشته و انتقال حرارت را تا % 125 بهبود مي دهد.

1401/06/28

Studying the Effect of Surface Structure Amendment for Pool Boiling Amelioration

9/11/2023 12:00:00 AM

The boiling process is very efficient in the industry due to its high heat transfer coefficient (HTC) compared to other mechanisms. The combination methods utilized in recent years and the rapid development of engineering technologies have significantly contributed to the improvement of boiling heat transfer. Wettability, roughness, porosity and surface topography are some of the effective surface properties parameters in the pool boiling process. The purpose of the current thesis is to study the impact of structured surfaces to improve heat transfer in pool boiling process, by changing in surface morphology and effective parameters such as roughness, porosity and wettability of the surfaces by using one or more methods simultaneously like WEDM, etching, photolithography, electrodeposition, spin-coating, electrospray, as well as utilization of open-cell metal foams in micro/nano scales. Therefore, it is aimed to enhance heat transfer in pool boiling process by augmenting and controlling of the bubbles nucleation sites, optimizing the location of the nucleation sites, improving the formation and separation of the bubbles by changing the surface morphology, creating additional area, creating changes in the effective properties of the surface and making hydrophilic and hydrophobic surfaces. According to the results, the surface containing channels with angle of 15 ° created by WEDM method and surface with the pattern of porous square fins with dimensions of 60 μm was made by photolithography method reached to the maximum improvement of 200 % and 178 % for the HTC compared to the plain surface, respectively. Moreover, regarding to the outcomes obtained in the low-conductive channels section, increasing the width of the channel to the desired value of 1.5 mm led to the occurrence of the phenomenon of thermal concentration and improving the HTC up to 146 % in low heat fluxes. In another part of this thesis, the maximum heat flux obtained for the sample coated by SiO_2 nanoparticles by electrospray approch with the pitch and width of the hydrophobic pattern of 1 mm in the maximum value of the heat flux with 135 % increase to the 107.96 W/cm^2 and HTC with 140 % enhancement compared to the plain surface reached the value of 11.48 W/cm^2 K. In addition, the results showed that open-cell foam electro-deposited with 20 PPI and thickness of 4 mm, has the best performance and improves heat transfer up to 125 %.

بهبود جوشش استخري , تخلخل , زبري , ترشوندگي , سطوح ساختاريافته , ضريب انتقال حرارت

Pool Boiling Amelioration , Porosity , Roughness , Wettability , Structured Surfaces , HTC

Hesam Moghadasi

Hamid Saffari