Intensificação da transferência de calor em ebulição em piscina por meio de superfícies nanoestruturadas hierarquicamente

Abstract

Uma forma promissora de aumentar o coeficiente de transferência de calor (CTC) e o fluxo de calor crítico (FCC) é modificar a morfologia da superfície de aquecimento usando técnicas de usinagem, revestimento e processos químicos. Superfícies microestrutura-das, ou seja, superfícies com a presença de micropilares fornecem pequenas perturbações no líquido, afetando a dinâmica das bolhas de vapor, aumentando a área da superfície de aquecimento e alterando o escoamento do fluido. Este trabalho teve como objetivo o estudo experimental da ebulição em piscina utilizando, como superfícies aquecedoras, superfícies de cobre modificadas por meio de técnicas de micro e nanofabricação. Os fluidos de trabalho utilizados foram a água deionizada ou HFE-7100 (ambos à pressão atmosférica e à temperatura de saturação). As matrizes quadradas de micropilares foram fabricadas em uma superfície plana de cobre por meio do processo de microusinagem. Microaletas quadradas de diferentes escalas de comprimento (isto é, altura e comprimento lateral) foram uniformemente espaçadas na superfície plana de cobre. As superfícies microaletadas intensificam o CTC em comparação com a superfície plana, sendo o número de aletas o principal fator para o aumento do CTC; se o número de aletas for constante, quanto maior a rugosidade efetiva, maior o desempenho de transferência de calor. Além disso, ocorre o aumento da capilaridade, a qual facilita o retorno do líquido para as regiões mais quentes (hot spots), postergando o fluxo de calor de secagem em comparação com a superfície plana. Para as superfícies nanoestruturadas hierarquicamente (combinação de superfícies microaletadas e nanoestruturação por meio da deposição de nanopartículas pelo processo de ebulição do nanofluido de alumina) e uso de HFE-7100 como fluido de trabalho, houve uma melhora no CTC de até 65% em comparação com as superfícies microaletadas. Tal melhora é devido ao aumento da densidade de sítios de nucleação e à dinâmica das bolhas de vapor. A deposição de nanopartículas em superfícies microaletadas aumenta a capacidade de absorção de líquidos, melhorando o remolhamento da superfície e postergando a ocorrência da secagem (maiores valores de fluxo de calor máximo).

One promising way to enhance the heat transfer coefficient (HTC) and the critical heat flux (CHF) is to modify the heating surface morphology by machining techniques, coating, and chemical processes. Microstructured surfaces, i.e., surfaces with micropillars on the surface, provide small perturbations in the liquid, affecting the vapor bubbles dynamic. These structures increase the heating surface area and change the fluid flow. Microfins can have different shapes and sizes and be arranged in different patterns to improve heat transfer. This study aimed to evaluate experimentally the thermal performance of pool boiling on modified surfaces by using micro/nano-fabrication techniques and deionized water or HFE-7100 as working fluids (at atmospheric pressure and saturation temperature). The square-micro pillar arrays were etched on a plain copper surface through the micro-milling process. Squares microfins of different length scales (i.e., height and side length) were uniformly spaced on the plain copper surface. Microfin surfaces intensify the HTC compared to the plain surface and the number of fins is the main factor for the HTC enhancement; if the number of microfins is constant, the larger the effective roughness the higher the heat transfer performance. Additionally, the capillary-wicking ability increases and improves the HTC and the dryout heat flux due to the prevention of hotspots in the microfin surface. The thermal performance of the HFE-7100 pool boiling on surfaces with a combination of microfins and nanostructured surfaces through nanoparticle deposition indicates a significant enhancement in the HTC (up to 65% compared to the microtextured surfaces) due to improved density of nucleation site and vapor bubble dynamics. The nanoparticle deposition on microtextured surfaces enhances the liquid absorption capacity, improving the surface’s rewetting and delaying the dryout occurrence (improving the maximum heat flux values).