Análise experimental da ebulição nucleada em superfícies nanoestruturadas sob condições de confinamento - Nunes, Jéssica Martha [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2018)
A intensificação da transferência de calor por meio de alterações na morfologia da superfície aquecida vem sendo estudada no meio científico, a fim de suprir a crescente demanda de resfriamento de dispositivos com alta capacidade de processamento e dimensões cada vez menores. O presente trabalho apresenta o estudo experimental do efeito de superfícies nanoestruturadas e do espaçamento do canal de confinamento durante a ebulição em piscina da água deionizada, à temperatura de saturação na pressão atmosférica, sobre o coeficiente de transferência de calor, HTC, e fluxo crítico de calor, CHF. As superfícies nanoestruturadas foram obtidas pelo processo de ebulição do nanofluido de Al2O3-água deionizada em duas diferentes concentrações más-sicas: 0,03 g/l (“baixa” concentração, LC) e 0,3 g/l (“alta” concentração, HC). Foram realizados testes livres, com espaçamento, entre a superfície aquecida e a superfície adiabática, de 30 mm (correspondendo a Bo = 12), e testes sob condições de confinamento, com espaçamento de 1,0 mm (Bo = 0,4). As superfícies de teste foram caracterizadas por meio de medição da rugosidade média (Ra), do ângulo de contato estático (molhabilidade), e imagens MEV. Foi observado um aumento médio de 45% no HTC do teste com superfície lisa nanoestruturada em baixa concentração de nanofluido, em relação à superfície lisa sem deposição. Esse ganho está relacionado com o aumento do número de sítios ativos de nucleação causado pela deposição das nanopartículas sobre a superfície lisa. Para todos os testes com superfícies rugosas nanoestruturadas e lisa nanoestruturada com alta concentração, houve degradação do HTC, devido ao efeito de preenchimento das cavidades e formação de uma resistência térmica adicional. Para baixos fluxos de calor, houve um aumento no HTC para os casos confinados em comparação aos livres, como consequência da evaporação do filme líquido presente entre a superfície aquecida e a bolha de vapor. Porém com o aumento do fluxo de calor, o fenômeno do dryout é antecipado em relação aos testes livres, o que compromete o desempenho de componentes sob essas condições. Nos testes sob confinamento foram observados ganhos no fluxo de calor de início do dryout para todas as superfícies nanoestruturadas testadas, chegando a 52% para a superfície lisa nanoestruturada em alta concentração, em comparação à superfície lisa sem nanoestrutura. Isso mostra que a nanoestruturação, apesar de não promover ganho no HTC, auxilia no ganho do fluxo de calor de início do dryout, que é o limite operacional de sistemas que trabalham sob confinamento.

The intensification of heat transfer through changes in the heated surface morphology has been studied in the scientific community to meet the increase demand for cooling of devices with high processing power and smaller dimensions. This work presents the experimental study of the effect of nanocoated surfaces and gap size during nucleated boiling of deionized water, in saturation temperature at atmospheric pressure, about heat transfer coefficient, HTC, and critical heat flux, CHF. The pool boiling process of Al2O3-water based nanofluid at two different mass concentrations: 0.03 g/l (“low” concentration, LC) and 0.3 g/l (“high” concentration, HC), produced nanostructured surfaces. Unconfined tests were analyzed, with gap size between the heated surface and the adiabatic surface of 30 mm (corresponding to Bo = 12), and tests under confinement conditions, with gap size of 1.0 mm (Bo = 0.4). The tested surfaces were characterized by means of surface roughness (Ra) measurement, static contact angle (wettability), and SEM images. An average increase of 45% in HTC of the test with nanocoated smooth surface in low nanofluid concentration was observed in relation to smooth surface without deposition. This enhancement is related to the increase in the number of active nucleation sites caused by the nanoparticle’s deposition on the smooth surface. For all tests with rough nanocoated surfaces and nanocoated smooth one with high nanofluid concentration, there was degradation of the HTC due to the filling effect of the cavities and the formation of an additional thermal resistance. For low heat fluxes, the HTC increased for confined cases compare to unconfined ones, as consequence of the liquid film evaporation present between the heated surface and the vapor bubble. However, with heat flux increase, the dryout phenomenon incipience is precipitated in relation to unconfined tests, which compromises the performance of components under these conditions. In the confined tests, enhancement in dryout incipience heat flux were observed for all nanocoated surfaces tested, reaching 52% for the nanocoated smooth surface in high concentration, compared to the smooth surface without nanostructure. This shows that nanostructure, while not promoting HTC enhancement, helps to delay the dryout incipience heat flux, which is the operational limit of systems that work under confinement.
Experimental analysis of nucleate boiling on nanocoated surfaces under confined conditions
Keywords: Transferência de calor por ebulição; Superfícies nanoestruturadas; Ebulição nucleada confinada; Boiling heat transfer; Nanocoated surfaces; Confined nucleate boiling