Micro/nano-engineered techniques for enhanced pool boiling heat transfer
Havuz kaynaklı ısı transferi için mikro / nano mühendisli teknikleri
- Tez No: 556759
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Mechanical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Su arıtma, askeri uygulamalar ve termal yönetim gibi uygulamalar, kaynatma ısı transferine dayalı yeni nesil soğutma teknolojilerine duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Mikro / nano yapılarla güçlendirilmiş yüzeyler, kaynama ısı transferi içeren sistemlerde performans artışı için büyük bir potansiyel olduğunu göstermektedir. Bu yüzeylerde kaynama ısı transferinden sorumlu mekanizmaları tam olarak anlamak ve bu teknolojilerin geniş bir malzeme yelpazesinde geniş ve karmaşık geometriler için ölçeklenebilirliğini sağlamak araştırma konusudur. Bu tezin amacı, mikro ve nano yüzeylerde havuz kaynatma ısı transferinin (BHT) ve kritik ısı akısı (CHF) mekanizmalarının temelleri hakkında bir anlayış sağlamak, BHT ve CHF geliştirme için yüzey değişikliği için yeni teknikler geliştirmek ve yeni öneriler sunmaktır. İlgili uygulamalar için kolay ve ölçeklenebilir yüzey modifikasyon tekniklerine göre hazırlanmış yapay oyuklar, farklı ıslanabilirliğe sahip yüzeyler ve farklı gözeneklere sahip yüzeyler, yüzey / kaynama etkileşiminin temellerine ışık tutmak için üretilmiş ve test edilmiştir. Ek olarak, BHT ve CHF artırımı için 3-D köpük benzeri grafen ve crenarchaeon Sulfolobus solfataricus P2 biyo-kaplama yüzey modifikasyon teknikleri de önerilmiştir. Yapay oyuklar için, hidrofilik yüzeylerde CHF oluşumunun esasen hidrodinamik kararsızlıktan kaynaklandığı, ancak kurumanın hidrofobik yüzeylerdeki baskın CHF mekanizması olduğu gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, oyuklardaki delik çapındaki artışın, üretilen tüm numuneler için CHF'yi arttırmasına rağmen, oyuk arasının büyüklüğünün etkisinin yüzey ıslanabilirliğine bağlı olduğu belirtilmiştir. Buna göre CHF sırasıyla hidrofobik ve hidrofilik yüzeylerdeki oranın artmasıyla artar ve azalır. Bifilik yüzeyler için, bifilik yüzeylerin üretimi için yeni ve kolay bir proses akışı önerilmiştir. Kaynama ısı transfer katsayısı ve CHF'nin, A * = AHydrofobik / ATotal ile% 38,46'ya kadar arttığı gösterilmiştir. A *>% 38.46 olan yüzeyler, CHF ve ısı transfer katsayısı artışında düşüş eğilimi göstermiştir, Bunun sebebi de çekirdekli kabarcıkların daha erken etkileşime girmesi sonucu oluşması, böylece daha düşük duvar aşırı ısınma sıcaklıklarında buhar örtüsü oluşumunu tetiklemesidir. Bu oran, yeni nesil termal sistemlerin tasarımında ve geliştirilmesinde değerli bir tasarım rehberi olm potansiyeline sahiptir. Yüzey porozitesi ve eğim açısının ısı transferi ve kabarcıklı ayrılma süreci üzerindeki etkisini incelemek için 50, 100 ve 200 nm kalınlıktaki pHEMA kaplı yüzeylerde havuz kaynatma çalışmaları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, aktif çekirdeklenme bölgeleri arasındaki etkileşimin etkilerinin kombinasyonu, kabarcık oluşum sıklığındaki artış ve kabarcık etkileşimlerindeki artış, kaplanmış yüzeylerde ısı transferindeki artışın arkasındaki nedenler olarak sunulmuştur. Eğim açısı için optimum bir koşul altında, gözenekli kaplamanın buhar fazı için uygun bir kaçış yolu sağladığı ve bunun sonucunda sıvı faz tarafından doldurularak sıvı takviyesine olanak sağladığı görülmüştür. Grafen kaplama kalınlığının havuzun kaynama ısı transfer performansı üzerine etkisini göstermek için 3D köpük benzeri grafen kaplı yüzeyler üzerinde havuz kaynatma deneyleri icra edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, kaplamanın 3D yapısı, havuz kaynama ısı transfer mekanizması üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Gözenek şekli ve 3B yapının mekanik rezonansı gibi faktörler, gelişmiş çekirdek kaynamada kabarcıklanma davranışının olası nedenlerindendir. Ayrıca, maksimum ısı transfer katsayısının elde edildiği, optimum bir 3D grafen kaplama kalınlığı olduğu tespit edildi. Bu, esas olarak, kabarcık ayrılma çapını ve sıklığını içeren kabarcık dinamiklerini etkileyen gözenekli ortam içindeki sıkışmış kabarcıklardan kaynaklanmaktadır. Isıtma ve soğutma cihazları, termoakışkan sistemler, bataryalar ve mikro ve nanoakışkan cihazların performansının arttırılması için yeni bir kaplama, crenarchaeon Sulfolobus solfataricus P2 bio kaplamaları önerilmiştir. Bu biyo kaplamalar, ısı ve sıvı akışlarını içeren birçok uygulamada yüksek ısı atma gereksinimlerini ele alma potansiyeline sahiptir. Havuz kaynama deneyleri, 1 ve 2 µm kalınlığındaki kaplamalı yüzeylerde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, biyokaplamalı kaplanmış yüzeylerin, çok sayıda çekirdeklenme bölgesi yoğunluğu sağlayarak ve aşırı ısıtılmış yüzey üzerinde kabarcık etkileşimini artırarak, kaynama ısı transferini arttırdığını göstermiştir. Gözenekli kaplama içerisindeki birbirine bağlı kanallar ve kılcal pompalama, sıvı taşınımını arttırmış ve sıvı-buhar sayacı akış direncini azaltmıştır. Böylelikle kritik ısı akısı durumu gerçekleştirilmiştir. Bu tez çerçevesinde yapılan araştırmanın derin bilimselliğinin yanında güçlü bir potansiyel ekonomik değeri vardır. Soğutma, otomotiv / havacılık mühendisliği, termal yönetim şirketleri yapılan araştırmaların ticari gelişiminden faydalanacaktır.
Özet (Çeviri)
Environmental aspects such as water treatment as well as military applications and thermal management emphasize on the need for next generation cooling technologies based on boiling heat transfer. Micro/nano enhanced surfaces have shown a great potential for the performance enhancement in the systems involving boiling phenomena. The lack of fully understanding the mechanisms responsible for the enhancement on these surfaces and scalability of these technologies for large and complex geometries over the wide range of materials are two main issues. The goals of this dissertation are to provide an understanding about the fundamentals of pool boiling heat transfer (BHT) and critical heat flux (CHF) mechanisms on engineered surfaces, to develop new techniques for surface alteration for BHT and CHF enhancement, and to propose novel, facile and scalable surfaces modification techniques for related industries. Surfaces with artificial cavities, surfaces with different wettability, and surfaces with different porosities were fabricated and tested to shed light into the fundamentals of surface/boiling interaction. In addition, 3-D foam-liked graphene and crenarchaeon Sulfolobus solfataricus P2 bio-coating surface modification techniques were proposed for BHT and CHF enhancement. For artificial cavities it was shown that CHF occurrence on the hydrophilic surfaces is mainly due to hydrodynamic instability, while dry-out is the dominant CHF mechanism on the hydrophobic surfaces. The obtained results imply that although the increase in hole diameter enhances CHF for all the fabricated samples, the effect of pitch size depends on surface wettability such that CHF increases and decreases with pitch size on the hydrophobic and hydrophilic surfaces, respectively. For biphilic surfaces, a novel and facile process flow for the fabrication of biphilic surfaces was proposed. It was shown that boiling heat transfer coefficient and CHF increased with A*=AHydrophobic/ATotal up to 38.46%. Surfaces with A*>38.46% demonstrated a decreasing trend in CHF and heat transfer coefficient enhancement, which is caused by earlier interaction of nucleated bubbles, thereby triggering the generation of vapor blanket at lower wall superheat temperatures. This ratio could serve as a valuable design guideline in the design and development of new generation thermal systems. Pool boiling on pHEMA coated surfaces with thicknesses of 50, 100 and 200 nm were used to study the effect of surface porosity and inclination angle on heat transfer and bubble departure process. According to obtained results, combination of the effects of the interaction between active nucleation sites, the increase in bubble generation frequency, and the increase in bubble interactions were presented as the reasons behind the enhancement in heat transfer on coated surfaces. It was observed that under an optimum condition for the inclination angle, the porous coating provides a suitable escape path for vapor phase, which results in space to be filled by the liquid phase thereby enabling liquid replenishment. Pool boiling experiments conducted on 3D foam-like graphene coated surfaces to show the effect of graphene coating thickness on the pool boiling heat transfer performance. According to the obtained results, 3D structure of the coating has a significant effect on pool boiling heat transfer mechanism. Factors such as pore shape and mechanical resonance of the 3D structure could be possible reasons for bubbling behavior in developed nucleate boiling. Furthermore it was found that there exists an optimum thickness of 3D graphene coatings, where the maximum heat transfer coefficient were achieved. This is mainly due to the trapped bubbles inside the porous medium, which affects the bubble dynamics involving bubble departure diameter and frequency. A novel coating, crenarchaeon Sulfolobus solfataricus P2 biocoatings, were proposed for the performance enhancement of heating and cooling devices, thermofluidic systems, batteries, and micro- and nanofluidic devices. These biocoatings have the potential for addressing high heat removal requirements in many applications involving heat and fluid flows. Pool boiling experiments were performed on biocoated surfaces with thicknesses of 1 and 2µm. The obtained results indicated that biocoated surfaces enhance boiling heat transfer by providing numerous nucleation site densities and by increasing bubble interaction on the superheated surface. Interconnected channels inside the porous coating, and capillary pumping enhance liquid transportation and reduce the liquid-vapor counter flow resistance, thereby delating CHF condition. There is a strong potential economic value of research performed in the framework of this thesis. Refrigeration, automotive/aerospace engineering, thermal management companies will benefit from the commercial development of the performed research.
Benzer Tezler
- Constructing peptide (GEPI)-protein molecular hybrids by using genetic engineering methods for materials and medical applications.
Malzeme ve medikal uygulamalar için gen mühendisliği yoluyla peptid (GEPI)-protein hibritlerin oluşması.
DENİZ ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2011
Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANDAN TAMERLER
PROF. DR. MEHMET SARIKAYA
- A novel AAO based sers substrate for characterization for characterization of proteins
Yüzeyce güçlendirilmiş raman spektroskopisi ile protein karakterizasyonu için AAO şablonlar ile altlik üretimi
ZEHRA BERİL AKINCI
Doktora
İngilizce
2013
Biyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Evaluation of bioimplants surface nano-micro design by chemical mechanical polishing against alternative methods
Başlık çevirisi yok
RIAID HADI SALIH ALSAEEDI
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ERTUNÇ
- Molecular recognition based self assembly of engineered proteins on nanoscaled gold surfaces
Nano-ölcek metal yüzeylerde moleküler tanıma esaslı kendiliğinden montaj olabilen protein tasarımı
BANU TAKTAK KARACA
Doktora
İngilizce
2015
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANDAN TAMERLER
YRD. DOÇ. DR. BÜLENT BALTA
- Optical metasurfaces
Başlık çevirisi yok
FATİH BALLI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of KentuckyDR. JOSEPH STRALEY
DR. JEFFREY TODD HASTİNGS