Iz slike 6.3 pri kritični gostoti toplotnega toka vidimo, da je skoraj celotna površina pokrita z mehurčki oz. parnim filmom, ki se zelo težko odcepi. Prisotno je veliko nukleacijskih mest z zelo intenzivnim nastajanjem, ker pa so tako blizu se mehurčki združujejo v skupek in otežujejo dotok sveže kapljevine na suha mesta in s tem nastanek novih mehurčkov.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Slika 6.4: Vrelna krivulja A3 vzorca ponovljena 12x..
Enako kakor pri REF vzorcu smo opravili več meritev tudi pri A3 vzorcu, rezultati pa so prikazani na sliki 6.4. Za primerjavo med A3 in REF vzorcem smo vzeli meritev številka 9 iz obeh eksperimentov in primerjali dobljene koeficiente toplotne prestopnosti in pregretja pri specifičnih točkah vrelne krivulje. Odločili smo se za začetek pri gostoti toplotnega toka 150, 500, 1000 kW m-2 kot pokazatelje režima mehurčkastega vrenja in za CHF, ki je zadnja najbolj značilna točka. Rezultati so vidni na sliki 6.5. Koeficient toplotne prestopnosti je bil vse do CHF višji pri REF vzorcu, torej je bil odvod toplote učinkovitejši (pri manjših pregretjih smo odvedli enako količino gostote toplotnega toka). Ko pa smo presegli CHF vode pri REF vzorcu, ki je znašal 1031 kW m-2 pa je pot nadaljeval samo A3 vzorec vse do vrednosti 1812 kW m-2 in pri tem s pregretjem 33.4 K. Torej iz tega lahko rečemo, da bi bil REF vzorec bolj primeren pri aplikacijah s potrebnimi minimalnimi pregretji in manjšim odvodom toplotnega toka, medtem ko je A3 vzorec bolj uporaben, ko so pregretja lahko višja in je potreben maksimalen možni odvod toplotnega toka.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Slika 6.5: Vrednosti koeficienta toplotne prestopnosti in pregretje površine pri različnih gostotah toplotnega toka.
6.2 Vrenje v bazenu s samoomočljivimi fluidi
Ponovno smo opravili 9 meritev samo z redestilirano vodo in dobili malce manjše vrednosti CHF. Po tem staranju A3 površine smo potem prešli na eksperimentiranje s samoomočljivim fluidom koncentracije n-butanola v vodi 1,2,3,4,5 in 6%. Po opravljenih meritvah smo očistili komoro in ponovno zagnali meritev z redestilirano vodo na istem vzorcu 2x, ter s samoomočljivim fluidom koncentracije 2,4 in 6% n-butanola. Rezultati so vidni na sliki 6.6.
Če primerjamo prejšnjo staranje s temi meritvami vidimo, da je imela prejšna prva meritev največji CHF, medtem ko je imela zdajšnja prva najmanjši. Pregretje je na enak način potovalo proti levi strani krivulje, kar je bilo za proces vrenja bolj ugodnejše. Tudi absolutno so vse vrednosti CHF vsaj 100 kW m-2 nižje od prejšnjih meritev, kar je najverjetneje rezultat drugega vzorca, ki je imel manj nukleacijskih mest, slabše nanešeno lepilo pri vstavljanju in mogoče tudi slabše obdelan pri samem brušenju. Pri eksperimentu s samoomočljivim fluidom vidimo znatno poslabšanje CHF, kar je po literaturi sodeč ravno nasprotno od tega, kar bi bilo pričakovano, pregretje pa se je malce izboljšalo pri 2% in 3%
koncentracije n-butanola. Po nepričakovanih slabih rezultatih smo se odločili isto površino še enkrat preskusiti z redestilirano vodo in sedaj dobili dve zelo ponovljivi meritvi (skoraj identični) z CHF 1285 kW m-2, kar je izkazalo približno 38% povečanje kritične gostote toplotnega toka napram zadnji meritvi z redestilirano vodo, pregretje pa se je znižalo za skoraj 2K. Po presenetljivem izboljšanju smo preizkusili ponovno zmes vode in n-butanola sedaj pri 2,4 in 6% koncentracije n-butanola in tudi tukaj videli znatno višje CHF kakor prej.
Pri koncentraciji 4% n-butanola smo zaznali CHF kar 1623 kW m-2 pri pregretju 30K.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Slika 6.6: Vrelna krivulja po staranju s koncentracijo samoomočljivega fluida 1,2 in 3 wt% butanola (a) in ponovne meritve 2x z redestilirano vodo ter samoomočljivim fluidom 2,4 in 6 wt% butanola.
Pri eksperimentu A3 površine smo 4x površino vreli z redestilirano vodo in dobili kar ponovljive rezultate s podobnim koeficientom prestopnosti toplote, CHF pri vrednosti malce nad 1600 kW m-2 in pregretjem malce pod 30K. Z naslednjim eksperimentom pri vsebnosti n-butanola 1% smo dobili CHF nižji pri 1420 kW m-2 z vsebnostjo 2% pa smo se zopet dvignili malce pod 1600 kW m-2. Po dodajanju še večje vsebnosti butanola (3% in 4%) smo dobili vedno manjša pregretja, pri 4% vsebnosti butanola pa celo manj kot 25K z CHF 1388 kW m-2. Na tem mestu smo se ponovno odločili preizkusiti z redestilirano vodo, da vidimo ali imamo kaj podobnosti kot je bilo na referenčni površini; torej da po ponovnem setu dobimo čisto drugačne rezultate. Izkazalo se je, da smo tukaj dobili nasprotni učinek kot pri
Rezultati vrenja na razvitih površinah
REF površini. Dobili smo 3 zelo ponovljive krivulje z redestilirano vodo, ki pa so sedaj imele CHF malce nad 1200 kW m-2 pri sicer nizkem pregretju 20K. Na prejšnji sliki rezultatov smo opazili drastično večje CHF kakor tudi manjša pregretja, tukaj pa imamo samo manjša pregretja z manjšimi CHF (približno 25% poslabšanje). Na naslednjih meritvah z 2,4,5 in 6% vsebnosti n-butanola pa smo se s krivuljo pomikali k višjim pregretjem površine in malce izboljšanim CHF napram zadnji meritvi z redestilirano vodo. CHF so se gibala od 1300-1400 kW m-2, ko se je vsebnost n-butanola zvišala na 5 in 6% pa se je vrenje začelo obnašati zelo nezanesljivo, kakor tudi vidimo na sliki 6.7 dodatne prevoje krivulje roza barve.
Slika 6.7: Vrelna krivulja dveh setov ponovitev na jedkani površini A3 z redestilirano vodo in samoomočljivim fluidom.
Zaradi sprememb opaženih pri REF in A3 površini po tem, ko smo uporabili samoomočljiv fluid, smo se odločili, da prikažemo razliko koeficientov toplotne prestopnosti in pregretja površin v enem stolpičnem grafu, kot je prikazano na sliki 6.9. Za REF površino smo uporabili meritev »REF r9« (zadnja REF meritev z redestilirano vodo) in »REF pre r2 2«
(zadnjo REF meritev po uporabi samoomočljivih fluidov z redestilirano vodo), ter pri A3 površini »A3 r4« (zadnja A3 meritev z redestilirano vodo) in »A3 pre r2 3« (zadnjo meritev A3 po uporabi samoomočljivih fluidov z redestilirano vodo). Stanje pred in po vrenju s samoomočljivim fluidom se je drastično spremenilo v obeh primerih, kar je razvidno že iz slike 6.8. Pri REF površini je bila vrelna krivulja zamaknjena v levo in dosegli smo tudi višje toplotne tokove, kar pomeni nižja pregretja površin in višji CHF. Pri A3 površini pa smo zaznali nižje toplotne tokove pri sedaj nižjih pregretjih površine. Torej površina je izkazovala vrelno krivuljo podobno kot REF vzorec, ampak s slabšim koeficientom toplotne prestopnosti. Boljše stanje pri REF vzorcu lahko pripišemo nastanku več nukleacijskih mest, ki so posledica spremenjenega stanja na površini vzorca, pri A3 pa se stanje na površini poslabša zaradi uničenja igličaste strukture, ki ugodno vpliva na učinkovit prenos toplote.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Slika 6.8: Vrelne krivulje REF in A3 vzorca z redestilirano vodo pred in po uporabi samoomočljivega fluida.
Slika 6.9: Vrenje REF in A3 vzorcev z redestilirano vodo pred uporabo samoomočljivega fluida in po le tem.
Vrenje z redestilirano vodo na REF površini po vrenju s samoomočljivim fluidom je izkazovalo najnižje pregretje in najvišji koeficient toplotne prestopnosti. Krivulja ni dosegla vrednosti CHF kakor pri začetnem vrenju z redestilirano vodo na A3 vzorcih, vendar je za območje do 1200 kW m-2 zelo ugodna.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Slika 6.10: Primerjava vrelnih krivulj REF in A3 površin z uporabo samoomočljivega fluida koncentracije butanola 2% in 4% in ponovitev po vmesnem vrenju redestilirane vode.
Če primerjamo samo identične koncentracije samoomočljivega fluida z vmesnim vrenjem z redestilirano vodo, vidimo znatno povečanje pri REF površini in poslabšanje pri A3 površini.
Glede na krivulje je imela najvišji CHF, REF površina pri koncentraciji 4% n-butanola po drugem merjenju. Imela je tudi nizka pregretja, kar nakazuje na učinkovit prenos toplote. Pri REF površini je drugo merjenje med koncentracijama 2% in 4% dvignilo CHF in malce povišalo pregretje površine, medtem ko je pri prvem merjenju dvig koncentracije povzročil drastično poslabšanje (najpoložnejša krivulja). Slika 6.10 kaže na A3 površini pri prvem merjenju znatno nižji CHF ampak nižja pregretja, pri drugem merjenju pa je z dvigom koncentracije dosežena skoraj identična krivulja.
Slika 6.11: Vrenje REF in A3 površin z uporabo samoomočljivega fluida koncentracije butanola 2%
in 4% in ponovitev po vmesnem vrenju redestilirane vode.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Iz slike 6.11 je razvidno, da se ob višanju koncentracije pri A3 površini pregretje manjša in koeficient toplotne prestopnosti viša. Pri REF površini pa se s koeficientom toplotne prestopnosti viša tudi pregretje površine.
Ob izvajanju meritve smo tudi posneli dogajanje na površini vzorca oz. v sami komori, da smo evidentirali tudi samo dogajanje. Proces je prikazan na sliki 6.12 in sliki 6.13. Pri vrenju z redestilirano vodo se pojavi manjše število nukleacijskih mest, ki jih zavzamejo večji mehurčki in z višanjem gostote toplotnega toka zavzamejo vedno več površine in tudi viša se frekvenca nukleacij. Pri visokih gostotah toplotnega toka se pojavljajo vse večje gmote in koagulacija mehurjev, ki potrebujejo vedno več energije za odcepitev od površine in vedno težje prihaja do zalivanja same površine s svežo kapljevino. Pri samoomočljivem fluidu z višanjem koncentracije lažje hlapljive snovi opazujemo vedno manjše mehurčke in tudi pojav nastajanja mikromehurčkov, kot je bilo dognano v članku avtorjev Y Hu. et al. [18].
Zaradi lažjega uparjanja bolj hlapljive snovi in efekta samozalivanja, kot tudi omočljivosti fluida nastajajo manjši mehurčki, ki se zaradi vseh teh lastnosti lažje odcepijo in z višjo frekvenco nastajajo novi.
Slika 6.12: Posnetek vrenja REF površine z destilirano vodo, 1% in 6% vsebnosti samoomočljivega fluida.
Rezultati vrenja na razvitih površinah
Slika 6.13: Posnetek vrenja 3% vsebnosti butanola na REF in A3 površini.
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).