Effect of porous coating on heat transfer in minichannels with intensive localised heating

Abstract

The main objective of the work is to study the influence of the porous layer on the intensity of heat transfer during flow boiling in mini- and microchannels with localized heating from the wall side (heater size 3x3 mm2) with a channel width and length an order of magnitude larger. The following problems were solved to achieve these goals. A technology was created for forming various porous coatings on a heater based on Nickel powder with a characteristic grain size of about 60-100 μm. As a result, three different thin (150 μm scale) porous coatings were obtained: Nickel (100% Ni) and two bimetallic coatings containing copper or zinc powders (80% Ni + 20% Cu, 50% Ni + 50% Zn). Systematic studies of heat transfer during boiling with non-uniform heating in mini- and microchannels with a height of 0.55 to 2.0 mm with subcooling water were carried out. The experiments were carried out with intensive heating from the wall side, up to 1.6 kW/cm2. There are established facts that are important results. The values of heat transfer coefficients and critical heat flux on porous surfaces are significantly (up to 3 times) higher than for a smooth surface. The values of critical heat flux reached 1.2 kW/cm2, and the values of heat transfer coefficient reached 100 kW/(m2 K). The significance of the obtained results is that the features of localized heating are underestimated but are important in modern multi-chip electronic systems and promising power plants. This will allow achieving the required scale of heat exchange parameter values when developing highly efficient heat exchange systems for modern microelectronics and power engineering.

Obiectivul principal al lucrării este de a studia influența stratului poros asupra intensității transferului de căldură în timpul fierberii în flux în mini și microcanale cu încălzire localizată din partea peretelui (dimensiunea încălzitorului 3x3 mm2) cu o lățime și lungime a canalului la comandă. de magnitudine mai mare. Următoarele probleme au fost rezolvate pentru a atinge obiectivele. A fost creată o tehnologie pentru formarea diferitelor acoperiri poroase pe un încălzitor pe bază de pulbere de nichel cu o dimensiune caracteristică a granulelor de aproximativ 60-100 μm. Ca urmare, au fost obținute trei acoperiri poroase subțiri diferite (scara de 150 μm): nichel (100% Ni) și două acoperiri bimetalice care conțin pulberi de cupru sau zinc (80% Ni + 20% Cu, 50% Ni + 50% Zn). Au fost efectuate studii sistematice ale transferului de căldură în timpul fierberii cu încălzire neuniformă în mini și microcanale cu o înălțime de 0,55 până la 2,0 mm cu apă de subrăcire. Experimentele au fost efectuate cu încălzire intensivă din partea peretelui, până la 1,6 kW/cm2. Există fapte stabilite care sunt rezultate importante. Valorile coeficienților de transfer termic și ale fluxului critic de căldură pe suprafețele poroase sunt semnificativ (de până la 3 ori) mai mari decât pentru o suprafață netedă. Valorile fluxului critic de căldură au ajuns la 1,2 kW/cm2, iar valorile coeficientului de transfer termic au ajuns la 100 kW/(m2 K). Semnificația rezultatelor obținute este că caracteristicile încălzirii localizate sunt subestimate, dar sunt importante în sistemele electronice moderne cu mai multe cipuri și centralele electrice promițătoare. Acest lucru va permite atingerea scalei necesare a valorilor parametrilor de schimb de căldură atunci când se dezvoltă sisteme de schimb de căldură extrem de eficiente pentru microelectronica modernă și inginerie energetică.

Целью работы является исследования влияния пористого слоя на интенсивность теплообмена при проточном кипении в мини- и микро- каналах с локализованным нагревом со стороны стенки (размер нагревателя 3х3 мм2) при ширине и длине канала на порядок больше. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи. Была создана технология формирования различных пористых покрытий на нагревателе, основой которых был никелевый порошок с характерным размером зерна около 60-100 мкм. В результате были получены три различных тонких (масштаба 100 мкм) пористых покрытия: из никеля (100% Ni) и два биметаллических покрытия, содержащих медный или цинковый порошки (80%Ni + 20% Cu, 50% Ni + 50% Zn). Были проведены систематические исследования теплообмена при кипении с неоднородным нагревом в мини- и микро- каналах высотой от 0,55 до 2,0 мм при недогреве воды. Эксперименты выполнены при интенсивном нагреве со стороны стенки вплоть до 1,6 кВт/см2. Наиболее важными результатами являются следующие установленные факты: величины коэффициентов теплоотдачи и критического теплового потока на пористых поверхностях существенно (до 3 раз) выше, чем для гладкой поверхности, величины критического теплового потока достигли величины 1,2 кВт/см2, а величины коэффициента теплоотдачи достигли величины 100 кВт/(м2 К). Кроме того, при малых перегревах воды (менее 15 °С) величины коэффициентов теплоотдачи на всех исследованных пористых поверхностях могут быть в разы выше, чем для гладкой поверхности. Значимость полученных результатов состоит в том, что выявленные особенности локализованного нагрева недооценены, но важны в современных много- чиповых электронных системах и перспективных энергетических установках. Что позволит достичь требуемого масштаба величин параметров теплообмена при разработке высокоэффективных теплообменных систем для микроэлектроники и энергетики в современном мире.