Boiling of subcooled liquid in a flat minichannel with a graphene coating

Abstract

Boiling occurs in many energy technologies, including thermal stabilization systems, where heat is removed from the wall due to the latent heat of vaporization of the coolant. Applying coatings to the heat-generating surface is one of the ways to enhance heat transfer during boiling. Carbon nanocoat-ings, such as graphene, are among the promising coatings for improving heat transfer. The main objec-tive of the study is to determine the effect of graphene coating on heat transfer and the dynamics of vapor bubbles during water boiling in a flat, smooth minichannel. To achieve this goal, a minichannel with a height of 1.15 mm and a width of 10 mm was used. Boiling was implemented on the end of a copper sample with a cross section of 10 × 10 mm2, flush pressed into the lower wall of the channel. To determine the effect of the graphene coating on the bubble dynamics and heat transfer during water boiling in a minichannel, graphene was mechanically removed from the surface of copper samples in a number of experiments. The most important result is that the graphene coating provides a greater number of vaporization sites compared to the original copper without graphene, but does not have a significant effect on the heat transfer coefficient and boiling curves. It was also found that the graphene coating is unstable on the copper surface and is almost completely destroyed during boiling for several tens of minutes. The significance of the obtained results lies in determining the stability of the graphene coating, as well as its influence on heat exchange during boiling of water in a minichannel.

Fierberea are loc în multe tehnologii energetice, inclusiv în sistemele de stabilizare termică, unde căldura este eliminată din perete datorită căldurii latente de vaporizare a agentului de răcire. Aplicarea de acoperiri pe suprafața generatoare de căldură este una dintre modalitățile de îmbunătățire a transferului de căldură în timpul fierberii. Nanostraturile de carbon, cum ar fi grafenul, se numără printre straturile promițătoare pentru îmbunătățirea transferului de căldură. Obiectivul principal al studiului este de a determina efectul acoperirii cu grafen asupra transferului de căldură și a dinamicii bulelor de vapori în timpul fierberii apei într-un minicanal neted plat. Pentru a atinge acest obiectiv, a fost utilizat un minicanal cu o înălțime de 1,15 mm și o lățime de 10 mm. Fierberea a fost implementată pe capătul unei probe de cupru cu o secțiune transversală de 10 × 10 mm2, presată la nivel în peretele inferior al canalului. Grafenul a fost sintetizat direct pe proba de cupru prin depunere chimică de vapori (CCVD). Cel mai important rezultat este că stratul de grafen oferă un număr mai mare de locuri de vaporizare în comparație cu cuprul original fără grafen, dar nu are un efect semnificativ asupra coeficientului de transfer termic și a curbelor de fierbere. De asemenea, s-a constatat că stratul de grafen este instabil pe suprafața cuprului și este distrus aproape complet în timpul fierberii timp de câteva zeci de minute. Semnificația rezultatelor obținute constă în determinarea stabilității învelișului cu grafen, precum și a efectului acestuia asupra transferului de căldură în timpul fierberii apei într-un minicanal.

Кипение встречается во многих энергетических технологиях, в том числе в системах термостабилизации, где тепло отводится от стенки за счет скрытой теплоты парообразования теплоносителя. Нанесение покрытий на тепловыделяющую поверхность является одним из способов интенсификации теплообмена при кипении. Углеродные нанопокрытия, такие как графен являются одними из перспективных покрытий для улучшения теплопередачи. Основной целью исследования является определение влияния графенового покрытия на теплообмен и динамику паровых пузырей при кипении воды в плоском гладком миниканале. Для достижения поставленной цели использовался миниканал высотой 1,15 мм и шириной 10 мм. Кипение реализовывалось на торце медного образца с сечением 10×10 мм2, заподлицо впрессованного в нижнюю стенку канала. Синтез графена осуществлялся непосредственно на медном образце методом химического осаждения из газовой фазы (CCVD). Спектральный анализ образца показал, что покрытие соответствует многослойному графену (8-10 слоев). Для определения влияния графенового покрытия на динамику пузырей и теплообмен при кипении воды в миниканале в ряде экспериментов графен был механически удален с поверхности медных образцов. Наиболее важным результатом является то, что графеновое покрытие обеспечивает большее количество центров парообразования, по сравнению с исходной медью без графена, однако не оказывает существенного влияния на коэффициент теплоотдачи и кривые кипения. Также было обнаружено, что графеновое покрытие нестабильно на поверхности меди и практически полностью разрушается при кипении в течение нескольких десятков минут. Значимость полученных результатов состоит в определении устойчивости графенового покрытия, а также его влияния на теплообмен при кипении воды в миниканале.