Dogajanje na A3 površini s samoomočljivim fluidom lahko pripišemo v veliki meri spremembi strukture na površini, ki jo lahko vidimo na SEM sliki 6.14 po večkratnem vrenju. Sprememba strukture je vidna tudi na REF površini, ki jo vidimo na sliki 6.15. Ta sprememba je ključna, ker po ponovnem vrenju na A3 površini dosežemo slabše rezultate pri redestilirani vodi, kajti nimamo več tistih značilnih igličastih struktur, ki ugodno vplivajo na nukleacijska mesta, površinsko napetost in kapilarni vlek. Ob večkratnem vrenju s samoomočljivimi fluidi oz. zmesjo vode in n-butanola pride do nekakšne kemijske reakcije ali deleža nastanka nove snovi, ki reagira s površino in njene značilnosti degradira. To smo probali pojasniti z Raman analizo in iz literature probali izluščiti možne vzroke.
Slika 6.14: SEM posnetki jedkane površine po vrenju s samoomočljivim fluidom (n-butanol – voda).
Slika 6.15: SEM posnetki referenčne bakrene površine po 10x vrenju s samoomočljivim fluidom.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Raman analiza
Slika 6.16: Raman spekter vzorca A3 pred (a) in po vrenju s samoomočljivim fluidom (b).
Bakrov(II) oksid (Cu2O) ima tipične vrhove pri valovnih številih 220 cm-1 in 620 cm-1, pri večjih koncentracijah pa je težje opaziti vrh zaradi znatnejšega dviga krivulje ob tem predelu.
Vrhove bakrovega(I) oksida (CuO) opazimo blizu valovnih dolžin 300 cm-1, 340 cm-1 in 630 cm-1. Bakrov(II) hidroksid (Cu(OH)2) ima tipičen vrh tudi pri 300 cm-1. Glede na te vrhove, ki so znani od avtorjev Y. Deng et al. [26] lahko analiziramo naše podatke vzorca A3 pred in po vrenju. Pred vrenjem kot je pokazano na sliki 6.16(a) vidimo klasične vrhove bakrovega(I) oksida pri 300 cm-1, 340 cm-1 in 630 cm-1. Vzorec po vrenju ne izkazuje identičnih vrhov razen pri bližini valovne dolžine 630 cm-1, vidimo pa vrh pri 220 cm-1, ki
Rezultati vrenja na razvitih površinah
je značilen za bakrov(II) oksid. Torej po vrenju je prisotnih manj bakrovih(I) oksidov in več bakrovih(II) oksidov. Glede na vrh 300 cm-1 pri vzorcu pred vrenjem so tukaj najverjetneje prisotni tudi bakrovi(II) hidroksidi. Drugi vrhovi, ki so prisotni pri valovnih dolžinah od 1000 cm-1 naprej nismo znali identificirati, vendar pa je jasno vidna ogromna razlika pri vzorcu pred in po vrenju. Zaznali smo jasno kemično spremembo na površini, ki je posledica intenzivnega vrenja in verjetno tudi reakcije zmesi n-butanola in vode s površino.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
7 Zaključki
1) Po izvedenih eksperimentih smo zbrane podatke primerno obdelali in jih medsebojno primerjali. Pokazali smo različna stanja vrenja, ki smo jih opravili med eksperimenti s hitrotekočo kamero.
2) Z uporabo redestilirane vode pri REF površinah smo dobili gostote toplotnega tokov do 1285 kW m-2 in koeficiente toplotne prestopnosti 54.7 kW m-2 K-1 , pri A3 pa gostote toplotnih tokov do 1836 kW m-2 in koeficiente toplotne prestopnosti 62.2 kW m-2 K-1 .
3) Pri večkratnem vrenju na enem vzorcu smo videli vpliv t. i. staranja površine, ki se je na obeh površinah ustalila po približno treh postopkih vrenja, potem je glavnino sprememb prevzela negotovost meritve in potek same meritve.
4) Z uporabo samoomočljivih fluidov smo pri REF površinah dobili poboljšanje vrelne krivulje, kar je pomenilo večje gostote toplotnih tokov in ponekod tudi manjša pregretja površine. Vrenje s samoomočljivim fluidom je pri REF površinah povzročilo ugodno spremembo površine, ki je nakazovala boljše parametre obratovanja. Ko pa smo samoomočljive fluide uporabili pri A3 površinah pa smo dobili nižje toplotne tokove in po ponovni uporabi redestilirane vode videli znatno zmanjšanje odvajanja toplotnega toka.
5) Spremembe površine po vrenju smo posneli s SEM postopkom in videli, da je pri vrenju s samoomočljivimi fluidi prišlo do modifikacije površine. Ta je ugodno vplivala na vrenje REF površin medtem, ko je pri A3 površinah povzročila poslabšanje vrelne krivulje.
6) Površino smo ovrednotili še z Raman analizo in videli, da je med procesom vrenja n-butanola in redestilirane vode prišlo do kemične reakcije, ki je modificirala površino.
Dokazali smo, da lahko pri bakrenih površinah z uporabo samoomočljivega fluida oz. zmesi n-butanola in vode izboljšamo vrelno krivuljo. Dosegli smo višje kritične gostote toplotnega toka kakor tudi višje koeficiente toplotne prestopnosti. Preko posnetkov SEM in Raman
Zaključki
analize smo videli očitne spremembe na površini vzorcev, ki so rezultat kemične reakcije med procesom vrenja n-butanola in redestilirane vode.
Po analizi podatkov je bilo premalo meritev zmesi n-butanola in vode, zato se v tem delu še ni dokazala točna koncentracija, ki najboljše vpliva na vrenje v bazenu na referenčni bakreni površini. Torej bi v nadaljnih raziskavah potrebovali več različnih točk koncentracij n-butanola, predvsem med 2 wt% in 5 wt% z vmesnimi razdelki 0.25 wt%. Če upoštevamo še slabšo ponovljivost na začetku vrenja s samoomočljivimi fluidi, bi bilo potrebno dodatno ovrednotiti staranje in degradacijo površine po dolgoročnih meritvah in še več ponovitvami.
Pri jedkanih površinah uporaba zmesi n-butanola in vode ni smiselna, zato bi raziskali uporabo drugih alkoholov v zmesi z vodo, ki se obnašajo kot samoomočljivi fluidi in površine ne bi degradirali. V nadaljnem delu bi dodatno razjasnili kemijske reakcije bakrenih površin ob izpostavljenosti samoomočljivega fluida z obširnejšo SEM in Raman analizo vzorcev, ter raziskali in uporabili še druge metode ovrednotenja bakrenih površin.
Literatura
1. R. Savino, A. Cecere, and R. Di Paola, "Surface tension-driven flow in wickless heat pipes with self-rewetting fluids," Int. J. Heat Fluid Flow 30, 380–388 (2009).
2. Y. Hu, K. Huang, and J. Huang, "A review of boiling heat transfer and heat pipes behaviour with self-rewetting fluids," Int. J. Heat Mass Transf. 121, 107–118 (2018).
3. B. T.L., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 8th. (Wiley, 2017).
4. M. Može, "Strukturirane bakrene površine za izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju," (2018).
5. M. Može, "Hibridne strukturirane površine za izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju," (2021).
6. A. Marmur, C. Della Volpe, S. Siboni, A. Amirfazli, and J. W. Drelich, "Contact angles and wettability: Towards common and accurate terminology," Surf. Innov. 5, 3–8 (2017).
7. X. Chen, L. Kong, D. Dong, G. Yang, L. Yu, J. Chenand, and P. Zhang, "Fabrication of functionalized copper compound hierarchical structure with bionic superhydrophobic properties," J. Phys. Chem. C 113, 5396–5401 (2009).
8. S. G. Kandlikar, "A theoretical model to predict pool boiling CHF incorporating effects of contact angle and orientation," J. Heat Transfer 123, 1071–1079 (2001).
9. H. T. Phan, N. Caney, P. Marty, S. Colasson, and J. Gavillet, "How does surface wettability influence nucleate boiling?," Comptes Rendus - Mec. 337, 251–259 (2009).
10. H. T. Phan, N. Caney, P. Marty, S. Colasson, and J. Gavillet, "Surface wettability control by nanocoating: The effects on pool boiling heat transfer and nucleation mechanism," Int. J. Heat Mass Transf. 52, 5459–5471 (2009).
11. J. C. Legros, M. C. Limbourg-Fontaine, and G. Petre, "Influence of a surface tension minimum as a function of temperature on the marangoni convection," Acta Astronaut.
11, 143–147 (1984).
12. Y. Hu, S. Chen, J. Huang, and M. Song, "Marangoni effect on pool boiling heat transfer enhancement of self-rewetting fluid," Int. J. Heat Mass Transf. 127, 1263–
Literatura
1270 (2018).
13. H. K. Forster and N. Zuber, "Dynamics of vapor bubbles and boiling heat transfer,"
AIChE J. 1, 531–535 (1955).
14. Z. Novak, "Hydrodynamic Ascepts of Boiling Heat Transfer (doktorska disertacija),"
UCLA, Los Angeles, ZDA (1959).
15. V. Vajc, "CRITICAL REVIEW OF MULTICOMPONENT AND TUBE-BUNDLE BOILING," (2018).
16. Y. Fujita and M. Tsutsui, "Heat transfer in nucleate pool boiling of binary mixtures,"
Int. J. Heat Mass Transf. 37, 291–302 (1994).
17. M. M. Rahman and M. McCarthy, "Boiling Enhancement on Nanostructured Surfaces with Engineered Variations in Wettability and Thermal Conductivity," Heat Transf.
Eng. 38, 1285–1295 (2017).
18. Y. Hu, H. Wang, M. Song, and J. Huang, "Marangoni effect on microbubbles emission boiling generation during pool boiling of self-rewetting fluid," Int. J. Heat Mass Transf. 134, 10–16 (2019).
19. Y. Hu, S. Zhang, X. Li, and S. Wang, "Heat transfer enhancement of subcooled pool boiling with self-rewetting fluid," Int. J. Heat Mass Transf. 83, 64–68 (2015).
20. L. Zhou, Y. Li, L. Wei, X. Du, Y. Yang, P. Jiang, and B. Wang, "Multi-jet flows and bubble emission during subcooled nucleate boiling of aqueous n-butanol solution on thin wire," Exp. Therm. Fluid Sci. 58, 1–8 (2014).
21. R. P. Sahu, S. Sinha-Ray, S. Sinha-Ray, and A. L. Yarin, "Pool boiling of Novec 7300 and self-rewetting fluids on electrically-assisted supersonically solution-blown, copper-plated nanofibers," Int. J. Heat Mass Transf. 95, 83–93 (2016).
22. A. Sitar, M. Zupančič, M. Crivellari, and I. Golobič, "The onset of nucleate boiling of self-rewetting fluids in microchannels," IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 93, (2017).
23. A. Sitar and I. Golobic, "Heat transfer enhancement of self-rewetting aqueous n-butanol solutions boiling in microchannels," Int. J. Heat Mass Transf. 81, 198–206 (2015).
24. M. Može, M. Zupančič, and I. Golobič, "Investigation of the scatter in reported pool boiling CHF measurements including analysis of heat flux and measurement uncertainty evaluation methodology," Appl. Therm. Eng. 169, 114938 (2020).
25. N. Mlakar, "Izboljšan prenos toplote pri vrenju na kemično obdelanih bakrenih površinah," (2020).
26. Y. Deng, A. D. Handoko, Y. Du, S. Xi, and B. S. Yeo, "In Situ Raman Spectroscopy of Copper and Copper Oxide Surfaces during Electrochemical Oxygen Evolution Reaction: Identification of CuIII Oxides as Catalytically Active Species," ACS Catal.
6, 2473–2481 (2016).