To understand EHD nucleate boiling heat transfer enhancement, EHD effects on R-113 nucleate boiling heat transfer in a non-uniform electric field were investigated. The pool boiling heat transfer and the dynamic behavior of bubbles in d.c./a.c. electric fields under a saturated or subcooled boiling were studied by using a plate-wire electrode and a high speed camera. From the pool boiling heat transfer study, the shift of the pool boiling curve, the increase of the heat transfer and the delay of ONB and CHF points to higher heat fluxes were observed. From the dynamic behavior of bubbles, it was observed that bubbles departed away from the whole surface of the heated wire in radial direction due to EHD effects by a nonuniform electric field. With increasing applied voltages, the bubble size decreased and the active nucleation site and the departure number of bubbles showed the different trend. The present study indicates that the EHD nucleate boiling heat transfer is closely connection with the dynamic behavior of bubbles and the secondary flow induced near the heated surface. Therefore, the basic studies on the bubble behavior such as bubble frequency, bubble diameter, bubble velocity and flow characteristics are necessary for complete understanding of the enhancement mechanism of the boiling heat transfer using an electric field.
Nucleate boiling heat transfer for refrigerants, R113, and R113+wt4% ethanol mixture, an azeotropic mixture under electric field was investigated experimentally in a single-tube shell/ tube heat exchanger. A special electrode configuration which provides a more uniform electric field that produces more higher voltage limit against the dielectric breakdown was used in this study. Experimental study has revealed that the electrical charge relaxation time is an important parameter for the boiling heat transfer enhancement under electric field. Up to 1210% enhancement of boiling heat transfer was obtained for R113+wt4% ethanol mixture which has the electrical charge relaxation time of 0.0053 sec whereas only 280% enhancement obtained for R113 which has relaxation time of 0.97 sec. With artificially machined boiling surface, more enhancement in the heat transfer coefficient in the azeotropic mixture was obtained.
The present research is an experimental study of subcooled flow boiling behavior using flat, microporousenhanced square heater surfaces in pure FC-72. Two $1-cm^{2}$ copper surfaces, one highly polished (plain) and one microporous coated, were flush-mounted into a 12.7 mm square, horizontal flow channel. Testing was performed for fluid velocities ranging from 0.5 to 4 m/s (Reynolds numbers from 18,700 to 174,500) and pure subcooling levels from 4 to 20 K. Results showed both surfaces' nucleate flow boiling curves collapsed to one line showing insensitivity to fluid velocity and subcooling. The log-log slope of the microporous surface nucleate boiling curves was lower than the plain surface due to the conductive thermal resistance of the microporous coating layer. Both, increased fluid velocity and subcooling, increase the CHF values for both surfaces, however, the already enhanced boiling characteristics of the microporous coating appear dominant and require higher fluid velocities to provide additional enhancement of CHF to the microporous surface.
In order to investigate the effects of an electric field on EHD(Electro-hydrodynamic) nucleate boiling hat transfer characteristics in a nonuniform electric field under saturated pool boiling, the basic study has been performed experimentally. In the present study, the working fluid is R-113 and the plate-wire electrode system is used to generate a steep electric field gradient. Boiling parameters are investigated by using a high speed camera. The electric field distribution around a wire is obtained to understand the effect of an electric field on bubble departure/movement. The experimental results show EHD effects are much more considerable when the applied voltage increases. Bubbles depart away from the heated wire in radial direction. It is confirmed that the mechanisms of EHD nucleate boiling are closely connected with the dynamic behavior of bubbles. The boiling parameters are significantly changed by the electric field strength. With increasing applied voltages, the bubble size decreases and the nucleation site density, bubble velocity and bubble frequency increase.
Direct immersion cooling has been considered as one of the promising methods to cool high power density chips. A fluorocarbon liquid such as FC-72, which is chemically and electrically compatible with microelectronic components, is known to be a proper coolant for direct immersion cooling. However, boiling in this dielectric fluid is characterized by its small value of the critical heat flux. In this experimental study, we tried to enhance the critical heat flux by increasing the nucleate boiling area in the heat spreader (Conductive Immersion Cooling Module). Heat nux of 2 MW/㎡ was successfully removed at the heat source temperature below 78$^{\circ}C$ in FC-72. Some modified boiling curves at high heat flux were obtained from these modules. Also, the concept of conduction path length is very important in enhancing the critical heat flux by increasing the heat spreader surface area where nucleate boiling occurs.
An experimental study was performed to evaluate the effects of surface coating and an enhanced insulation structure on the downward facing boiling process and the critical heat flux on the outer surface of a hemispherical vessel. Steady-state boiling tests were conducted in the Subscale Boundary Layer Boiling (SBLB) facility using an enhanced vessel/insulation design for the cases with and without vessel coatings. Based on the boiling data, CHF correlations were obtained for both plain and coated vessels. It was found that the nucleate boiling rates and the local CHF limits for the case with micro-porous layer coating were consistently higher than those values for a plain vessel at the same angular location. The enhancement in the local CHF limits and nucleate boiling rates was mainly due to the micro-porous layer coating that increased the local liquid supply rate toward the vaporization sites on the vessel surface. For the case with thermal insulation, the local CHF limit tended to increase from the bottom center at first, then decrease toward the minimum gap location, and finally increase toward the equator. This non-monotonic behavior, which differed significantly from the case without thermal insulation, was evidently due to the local variation of the two-phase motions in the annular channel between the test vessel and the insulation structure.
In this work, pool boiling heat transfer coefficients (HTCs) of five hydrocarbon refrigerants of propylene, propane, isobutane, butane and dimethylether (DME) were measured at the liquid temperature of $7^{\circ}C$ on a 26 fpi low fin tube, Turbo-B, and Thermoexcel-E tubes. All data were taken from 80 to $10kW/m^2$ in the decreasing order of heat flux. The data of hydrocarbon refrigerants showed a typical trend that nucleate boiling HTCs obtained on enhanced tubes also increase with the vapor pressure. Fluids with lower reduced pressure such as DME, isobutane, and butane took more advantage of the heat transfer enhancement mechanism of enhanced tubes than those enhancement ratios of $2.3\sim9.4$ among the tubes tested due to its sub-channels and re-entrant cavities.
Jun, Seongchul;Kim, Jinsub;Son, Donggun;Kim, Hwan Yeol;You, Seung M.
Nuclear Engineering and Technology
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제48권4호
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pp.932-940
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2016
Pool boiling heat transfer of water saturated at atmospheric pressure was investigated experimentally on Cu surfaces with high-temperature, thermally-conductive, microporous coatings (HTCMC). The coatings were created by sintering Cu powders on Cu surfaces in a nitrogen gas environment. A parametric study of the effects of particle size and coating thickness was conducted using three average particle sizes (APSs) of $10{\mu}m$, $25{\mu}m$, and $67{\mu}m$ and various coating thicknesses. It was found that nucleate boiling heat transfer (NBHT) and critical heat flux (CHF) were enhanced significantly for sintered microporous coatings. This is believed to have resulted from the random porous structures that appear to include reentrant type cavities. The maximum NBHT coefficient was measured to be approximately $400kW/m^2k$ with APS $67{\mu}m$ and $296{\mu}m$ coating thicknesses. This value is approximately eight times higher than that of a plain Cu surface. The maximum CHF observed was $2.1MW/m^2$ at APS $67{\mu}m$ and $428{\mu}m$ coating thicknesses, which is approximately double the CHF of a plain Cu surface. The enhancement of NBHT and CHF appeared to increase as the particle size increased in the tested range. However, two larger particle sizes ($25{\mu}m$ and $67{\mu}m$) showed a similar level of enhancement.
In this study, experimental results of the nucleate boling of wire-wrapped tubes are provided. Both water and R-113 were boiled. Solid stainless steel wires, stranded copper wires and stranded nylon wires were tested. Solid stainless wire is effective to enhance the boiling of water. The performance is approximately the same(or slightly better at certain conditions) as that of GEWA-T tubes. For the test range of wire diameter 0.6 $mm{\le}d{\le}2.6 mm$, the optimum gap width increases as the wire diameter increases. The maximum heat transfer coefficient was obtained for the 1.0 mm diameter wire, and it is 1.6 times larger than that of the GEWA-T at the heat flux of 20 $kW/m^{2}.$ Solid stainless wire is also effective to enhance the boling of R-113 at low heat fluxes. The performance of the wire-wrapped tube approaches that of GEWA-T. At high heat fluxes, however, the enhancement decreases. The reason may be attributed to the cavity shape and the high wettability of the refrigerants. Stranded copper or nylon wire is effective to enhance the boiling of R-113. The performance is approximately the same(or slightly better) as that of GEWA-T tubes. Maximum heat transfer was obtained for the stranded nylon wire, and it is approximately 1.4 times larger than that for the GEWA-T at the heat flux of 20 $kW/m^{2}.$ The reason may be atrributed to the favorable thermal environment in the restricted regions formed by twisted wires.
The characteristics of boiling heat transfer and critical heat flux (CHF) behavior of nano-fluids were studied by using various sized silver and alumina nanoparticles. The diameter of nanoparticles was from 2 nm to 250 nm for silver and from 20nm to 40nm for alumina. Pool boiling characteristics and CHF enhancement of nano-fluids with different sized nanoparticles were compared with those of pure water and each nano-fluids. The experiment was performed at atmospheric pressure and the temperature of the pool was maintained constantly by using a flat immersed heater. The concentration of nano-fluids was uniform in all experiments as 0.01g/liter. The results showed that the measured boiling curves were shifted to the right. It demonstrated that the occurrence of nucleate boiling regime in nano-fluids retarded, compared with that of pure water. Also, in nano-fluids, the boiling curves showed that CHF of nano-fluids is significantly enhanced and represented the effect of particle size on boiling characteristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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