بررسی تجربی جوشش استخری نانوسیال اکسید مس روی سطح تخت مسی و اندازه‌گیری شار حرارت بحرانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 صنعتی شاهرود-مهندسی مکانیک

3 دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک ، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود

چکیده

پدیده جوشش به دلیل بزرگتر بودن حرارت نهان تبخیر نسبت به حرارت محسوس و در نتیجه نرخ انتقال حرارت بالا، یکی از پرکاربردترین فرآیند‌های انتقال حرارت در صنعت به شمار می‌رود. اما استفاده از فرایند جوشش در شار حرارتی بالا محدودیت امکان وقوع جوشش فیلمی در نقطه شار حرارت بحرانی را دارد. در سال‌های اخیر مطالعات زیادی در زمینه جوشش استخری نانوسیال برای افزایش شار حرارت بحرانی انجام شده و بعضاً نتایج متناقضی در این مورد ارائه‌ شده است. این پژوهش با هدف درک رفتار نانوسیال و تأثیر نانوپوشش ایجاد شده در طی فرآیند انتقال حرارت جوشش استخری بر شار حرارت بحرانی انجام شده است. بنابراین از ترکیب نانوذرات اکسید مس/آب با اندازه نانوذرات nm 40 و غلظت‌های (mg/l) 1-1000 و هیتر مسی با سطح تخت و قطر mm10 و زبری سطح nm 5/7  استفاده شده است. اندازه‌گیری شار حرارت بحرانی در غلظت‌های مختلف نانوسیال نشان داد که شار حرارت بحرانی با افزایش غلظت تا  mg/l100 حداکثر به میزان % 92  نسبت به آب دیونیزه افزایش می‌یابد. بعد از جوشش نانوسیال، برای بررسی خواص سطوح و نانوپوشش ایجاد شده روی سطح، اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ الکترونی روبشی و اندازه‌گیری زاویه تماس سطح روی نمونه‌ها انجام شده است. نتایج نشان‌دهنده تأثیر مثبت زبری و اثر منفی افزایش ضخامت بر افزایش شار حرارت بحرانی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental study of CuO/Water nanofluid pool boiling on the copper flat surface and measurement of the critical heat flux

نویسندگان [English]

  • Amir Ahmad Jamialahmadi 1
  • Ahmad Nazari 2
  • Mohammad Hasan Kayhani 3
1 Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 صنعتی شاهرود-مهندسی مکانیک
3 Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

Boiling heat transfer is one of the most applicable heat transfer processes in the industry. In recent years, many studies have been investigated in nanofluid pool boiling field and reported some contradictory results. This research is a qualitative and quantitative investigation to understand the behavior of nanofluid during pool boiling heat transfer. For this purpose, a low concentration (up to 1000mg/l) of CuO-water nanofluid and a copper plate surface heater with a diameter of 10 mm and surface roughness of 7.5 nm were used. CuO-water nanofluids have been created by 40nm nanoparticles and 1 to 1000 mg/l of concentrations are used in this research. The measurement of critical heat flux at different concentrations of nanofluid showed that critical heat flux has improved 92% in optimized concentration of 100 mg/l compared to distilled water. Atomic force microscopy, scanning electron microscopy and contact angle measurements have been done for analyzing properties of surface and nanocoated which are formed after nanofluid boiling. Results demonstrate that there is a positive effect in increasing roughness and a negative impact of thickness enhancement on critical heat flux.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pool boiling
  • CuO-water nanofluids
  • Critical heat flux
  • Nanocoated surface

مراجع

[1] L.S. Tong, Y.S. Tang, Boiling Heat Transfer And Two-Phase Flow, Taylor & Francis, 1997.
[2] S.U. Choi, J.A. Eastman, Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, Argonne National Lab., IL (United States), 1995.
[3] S. You, J. Kim, K. Kim, Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer, Applied physics letters, 83(16) (2003) 3374-3376.
[4] D. Wen, Y. Ding, Experimental investigation into the pool boiling heat transfer of aqueous based γ-alumina nanofluids, Journal of Nanoparticle Research, 7(2-3) (2005) 265-274.
[5] H. Sakashita, Pressure effect on CHF enhancement in pool boiling of nanofluids, Journal of nuclear science and technology, 53(6) (2016) 797-802.
[6] M. Sarafraz, T. Kiani, F. Hormozi, Critical heat flux and pool boiling heat transfer analysis of synthesized zirconia aqueous nano-fluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, 70 (2016) 75-83.
[7] S. Jun, J. Kim, D. Son, H.Y. Kim, S.M. You, Enhancement of pool boiling heat transfer in water using sintered copper microporous coatings, Nuclear Engineering and Technology, 48(4) (2016) 932-940.
[8] M. Dadjoo, N. Etesami, M.N. Esfahany, Influence of orientation and roughness of heater surface on critical heat flux and pool boiling heat transfer coefficient of nanofluid, Applied Thermal Engineering, 124 (2017) 353-361.
[9] A. Nazari, S. Saedodin, Porous anodic alumina coating for optimisation of pool-boiling performance, Surface Engineering, 33(10) (2017) 753-759.
[10] A. Nazari, S. Saedodin, Critical heat flux enhancement of pool boiling using a porous nanostructured coating, Experimental Heat Transfer, 30(4) (2017) 316-327.
[11] A. Nazari, S. Saedodin, An experimental study of the nanofluid pool boiling on the aluminium surface, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 135(3) (2019) 1753-1762.
[12] M. Mohammadpourfard, H. Aminfar, A. Qhafuri, R. Maroofiazar, Experimental Study on the Effect of Magnetic Field on Critical Heat Flux of Ferrofluid Flow Boiling in a Vertical Tube, Iranian Journal of Mechanical Engineering Transactions of the ISME, 19(2) (2018) 116-126.
[13] H. Aminfar, M. Mohammadpourfard, R. Maroofiazar, Experimental study on the effect of magnetic field on critical heat flux of ferrofluid flow boiling in a vertical annulus, Experimental thermal and fluid science, 58 (2014) 156-169.
[14] J.C. Godinez, D. Fadda, J. Lee, S.M. You, Development of a stable Boehmite layer on aluminum surfaces for improved pool boiling heat transfer in water, Applied Thermal Engineering, 156 (2019) 541-549.
[15] M.S. Lee, D.H. Kam, Y.H. Jeong, Effects of silica nanoparticles and low concentration on the deterioration of critical heat flux in a pool boiling experiment with a flat-type heater, International Journal of Heat and Mass Transfer, 144 (2019) 118420.
[16] S.J. Kim, I.C. Bang, J. Buongiorno, L. Hu, Surface wettability change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(19-20) (2007) 4105-4116.
[17] S.M. Kwark, R. Kumar, G. Moreno, J. Yoo, S.M. You, Pool boiling characteristics of low concentration nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53(5-6) (2010) 972-981.
[18] J.P. Holman, Experimental methods for engineers,  (1966).
[19] S.J. Kline, F. McClintock, Describing uncertainties in single-sample experiments, Mechanical engineering, 75(1) (1953) 3-8.
[20] J.G. Collier, J.R. Thome, Convective boiling and condensation, Clarendon Press, 1994.
[21] A. Nayak, P. Kulkarni, A. Chinchole, Experimental investigation on pool boiling critical heat flux with nanofluids, Journal of Nanofluids, 4(2) (2015) 140-146.
[22] S. Kandlikar, V. Dhir, Y. Iida, R.H. Heist, Handbook of phase change: Boiling and condensation,  (1999).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 5
مرداد 1400
صفحه 3099-3114

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار