Интенсификация теплообмена при кипении на поверхностях с гидрофобными кавернами

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Выполнено исследование процесса кипения воды в большом объеме жидкости при атмосферном давлении на поверхностях с кавернами, полученными методом лазерной абляции и гидрофобизированными за счет хемосорбции фторированного метоксисилана из паров при температуре 105°C. Проведен анализ результатов эксперимента, выполнено сравнение с ранее полученными и литературными данными. Исследовано влияние размеров, формы и расположения гидрофобных каверн на интенсивность теплообмена при кипении. Показано, что основным параметром, определяющим интенсивность теплообмена, является удельная плотность гидрофобизированных каверн на поверхности нагрева, или шаг между ними. Форма и размер каверн не оказывают существенного влияния на теплообмен. Удаление гидрофобизатора из каверн приводит к значительному уменьшению интенсивности теплообмена.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. А. Чиннов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: victor.lipps@gmail.com
Russian Federation, Новосибирск

С. Я. Хмель

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: victor.lipps@gmail.com
Russian Federation, Новосибирск

В. Ю. Владимиров

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Author for correspondence.
Email: victor.lipps@gmail.com
Russian Federation, Новосибирск

К. А. Емельяненко

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: victor.lipps@gmail.com
Russian Federation, Москва

А. М. Емельяненко

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: victor.lipps@gmail.com
Russian Federation, Москва

Л. Б. Бойнович

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: victor.lipps@gmail.com
Russian Federation, Москва

References

  1. Shojaeian M., Kosar A. Pool Boiling and Flow Boiling on Micro- and Nanostructured Surfaces // Exp. Therm. Fluid Sci. 2015. V. 63. P. 45.
  2. Суртаев А.С., Сердюков В.С., Павленко А.Н. Нанотехнологии в теплофизике: теплообмен и кризисные явления при кипении // Российские нанотехнологии. 2016. Т. 11. № 11–12. С. 18.
  3. Попов И.А., Щелчков А.В., Гортышов Ю.Ф., Зубков Н.Н. Интенсификация теплоотдачи и критические тепловые потоки при кипении на поверхностях с микрооребрением // ТВТ. 2017. Т. 55. № 4. С. 537.
  4. Васильев Н.В., Вараксин А.Ю., Зейгарник Ю.А., Ходаков К.А., Эпельфельд А.В. Характеристики кипения воды, недогретой до температуры насыщения, на структурированных поверхностях // ТВТ. 2017. Т. 55. № 6. С. 712.
  5. Дедов А.В. Обзор современных методов интенсификации теплообмена при пузырьковом кипении // Теплоэнергетика. 2019. № 12. С. 18.
  6. Liang G., Mudawar I. Review of Pool Boiling Enhancement by Surface Modification // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 128. P. 892.
  7. Li W., Dai R., Zeng M., Wang Q. Review of Two Types of Surface Modification on Pool Boiling Enhancement: Passive and Active // Renewable Sustainable Energy Rev. 2020. V. 130. P. 109926.
  8. Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н. Интенсификация теплообмена при кипении и испарении жидкостей на модифицированных поверхностях // ТВТ. 2021. Т. 59. № 2. С. 280.
  9. Khmel S., Baranov E., Vladimirov V., Safonov A., Chinnov E. Experimental Study of Pool Boiling on Heaters with Nanomodified Surfaces Under Saturation // Heat Transfer Eng. 2022. V. 43. № 20. P. 1724.
  10. Serdyukov V., Vladyko I., Starinskiy S., Rodionov A., Shukhov Y., Malakhov I., Safonov A., Surtaev A. Pool Boiling Performance on the Textured Hemi-wicking Surfaces Fabricated by Nanosecond Laser Ablation // Appl. Therm. Eng. 2023. V. 228. P. 120472.
  11. Hsu Y.Y. On the Size Range of Active Nucleation Cavities on a Heating Surface // J. Heat Transfer. 1962. V. 84. P. 207.
  12. Dong L., Quan X., Cheng P. An Experimental Investigation of Enhanced Pool Boiling Heat Transfer from Surfaces with Micro/Nano-structures // Int. J. Heat Mass Transfer. 2014. V. 71. P. 189.
  13. Sitar A., Može M., Crivellari M., Schille J., Golobič I. Nucleate Pool Boiling Heat Transfer on Etched and Laser Structured Silicon Surfaces // Int. J. Heat Mass Transfer. 2020. V. 147. P. 118956.
  14. Yu C.K., Lu D.C., Cheng T.Ch. Pool Boiling Heat Transfer on Artificial Micro-cavity Surfaces in Dielectric Fluid FC-72 // J. Micromech. Microeng. 2006. V. 16. № 10. P. 2092.
  15. Bon B., Klausner J., McKenna E. An Investigation of Pool Boiling Heat Transfer on Single Crystal Surfaces and a Dense Array of Cylindrical Cavities // J. Heat Transfer. 2013. V. 135. № 12. P. 121501.
  16. Eid E.I., Al-Nagdy A.A., Khalaf-Allah R.A. Nucleate Pool Boiling Heat Transfer Above Laser Machining Heating Surfaces with Different Micro-cavity Geometric Shape for Water–Aluminum Oxide Nanofluid // Exp. Heat Transfer. 2022. V. 35. № 5. P. 688.
  17. Sadaghiani A.K., Altay R., Noh H., Kwak H.J., Sendur K., Mısırlıoğlu B., Park H.S., Kosar A. Effects of Bubble Coalescence on Pool Boiling Heat Transfer and Critical Heat Flux – A Parametric Study Based on Artificial Cavity Geometry and Surface Wettability // Int. J. Heat Mass Transfer. 2020. V. 147. P. 118952.
  18. Gao L., Bai M., Lv J., Li Y., Lv X., Liu X., Li Y. Experimental Studies for the Combined Effects of Micro-cavity and Surface Wettability on Saturated Pool Boiling // Exp. Therm. Fluid Sci. 2023. V. 140. P. 110769.
  19. Kumar G.U., Suresh S., Kumar C.S.S., Back S., Kang B., Lee H.J. A Review on the Role of Laser Textured Surfaces on Boiling Heat Transfer // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 174. P. 115274.
  20. Chen J., Ahmad Sh., Cai J., Liu H., Lau K.T., Zhao J. Latest Progress on Nanotechnology Aided Boiling Heat Transfer Enhancement: A Review // Energy. 2021. V. 215. P. 119114.
  21. Betz A., Xu J., Qiu H., Attinger D. Do Surfaces with Mixed Hydrophilic and Hydrophobic Areas Enhance Pool Boiling? // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. № 14.
  22. Može M., Zupančič M., Golobič I. Pattern Geometry Optimization on Superbiphilic Aluminum Surfaces for Enhanced Pool Boiling Heat Transfer // Int. J. Heat Mass Transfer. 2020. V. 161. P. 120265.
  23. Chinnov E.A., Khmel S.Ya., Vladimirov V.Yu., Safonov A.I., Semionov V.V., Emelyanenko K.A., Emelyanenko A.M., Boinovich L.B. Boiling Heat Transfer Enhancement on Biphilic Surfaces // Energies. 2022. V. 15. № 19. P. 7296.
  24. Jo H., Kim S.H., Park H.S., Kim M.H. Critical Heat Flux and Nucleate Boiling on Several Heterogeneous Wetting Surfaces: Controlled Hydrophobic Patterns on a Hydrophilic Substrate // Int. J. Multiphase Flow 2014. V. 62. P. 101.
  25. Jo H.J., Yu D.I., Noh H.W., Park H.S., Kim M.H. Boiling on Spatially Controlled Heterogeneous Surfaces: Wettability Patterns on Microstructures // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. № 18.
  26. Zhang W., Chai Y., Xu J., Liu G., Sun Y. 3D Heterogeneous Wetting Microchannel Surfaces for Boiling Heat Transfer Enhancement // Appl. Surf. Sci. 2018. V. 457. P. 891.
  27. Cho H.R., Park S.Ch., Kim D., Joo H.-M., Yu D.I. Experimental Study on Pool Boiling on Hydrophilic Micro/Nanotextured Surfaces with Hydrophobic Patterns // Energies. 2021. V. 14. № 22. P. 7543.
  28. Može M., Zupančič M., Golobič I. Investigation of the Scatter in Reported Pool Boiling CHF Measurements Including Analysis of Heat Flux and Measurement Uncertainty Evaluation Methodology // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 169. P. 114938.
  29. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. The Behaviour of Fluoro- and Hydrocarbon Surfactants Used for Fabrication of Superhydrophobic Coatings at Solid/Water Interface // Colloids Surf., A. 2015. V. 481. P. 167.
  30. Boinovich L.B., Emelyanenko K.A., Domantovsky A.G., Chulkiva E.V., Shiryaev A.A., Emelyanenko A.M. Pulsed Laser Induced Triple Layer Copper Oxide Structure for Durable Polyfunctionality of Superhydrophobic Coatings // Adv. Mater. Interfaces. 2018. V. 5. № 21. P. 1801099.
  31. Rohsenow W.M. A Method of Correlating Heat Transfer Data for Surface Boiling of Liquids // Trans. ASME. 1952. V. 74. № 6. P. 969.
  32. Yang Z., Liu X., Tian Y. Insights into the Wettability Transition of Nanosecond Laser Ablated Surface Under Ambient Air Exposure // J. Colloid Interface Sci. 2019. V. 533. P. 268.
  33. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M., Emelyanenko K.A., Domantovsky A.G., Shiryaev A.A. Comment on “Nanosecond Laser Textured Superhydrophobic Metallic Surfaces and Their Chemical Sensing Applications” by Duong V. Ta, Andrew Dunn, Thomas J. Wasley, Robert W. Kay, Jonathan Stringer, Patrick J. Smith, Colm Connaughton, Jonathan D. Shephard (Appl. Surf. Sci. 2015. V. 357. P. 248.) // Appl. Surf. Sci. 2016. V. 379. P. 111.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of the experimental setup.

Download (144KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. SEM images of individual cavities of different shapes on the surface: (a) – No. 1 (triangle), (b) – No. 2 (rectangle), (c) – No. 4 (circle), (d) – SEM image of the cross-section of a circular cavity for surface No. 4.

Download (302KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM image of the wall of an individual cavity on surface No. 2 (rectangle in Fig. 2b) at different magnifications: (a) – 5000 times, (b) – 50,000 times.

Download (247KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of heat flux density on the temperature difference on the heating surface and in the liquid under saturation conditions for smooth and modified boiling surfaces (table): 1 – [31], 2 – data [18] for a superhydrophilic sample with a cavity diameter of 0.1 mm and a pitch of 0.4 mm; 3 – smooth sample, this work; 4 – surface No. 1; 5 – No. 2; 6 – No. 3; 7 – No. 4.

Download (67KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of the heat flux density during boiling on the temperature difference on the heating surface and in the liquid for sample No. 1 with triangular cavities before plasma treatment, demonstrating stability for three years (the first and eighth experiments), and after plasma treatment (the ninth and tenth experiments): 1 - surface No. 1, first experiment; 2 - No. 1, eighth; 3 - No. 1, ninth; 4 - No. 1, tenth; 5 - No. 4, [23]; 6 - [31].

Download (68KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Comparison of experimental data for surface No. 4 with previously obtained results on flat bifilar surfaces with similar geometric parameters: 1 – surface No. 4; 2 – No. 5, [23]; 3 – No. 6, [23]; 4 – [31].

Download (64KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences