An investigation into hydrophobic micro-textured surfaces on heat transfer and surface wetting phenomenon during vapor condensation

Yoğuşma sürecini içeren bir sistemin verimliliği ve performansı, son yıllardaki buhar sıkıştırma (soğutma) döngüsü, elektronik soğutma vb. gibi termal yönetim sistemlerini kapsayan birçok uygulama için en önemli konulardan biri olmuştur. Kondenserler ve evaporatörler gibi sistem bileşenlerini değerlendirmek ve geliştirmek için sistem performansını öngörmek oldukça önemlidir. Bu nedenle, bu çalışmanın temel amacı, 1.02 Bar'dan 1.25 Bar'a kadar değişen farklı doyma basınçlarında, yüzey topografyası ve yüzey ıslatma özelliklerini inceleyerek yoğuşma olaylarını incelemektir. Bu amaçla, derinlemesine bir anlayış oluşturmak üzere bir dizi görev tamamlanmıştır. İlk görev, bir ısı borusunun çeşitli kondenser yönlerindeki (-90º ile + 90º arası) performansını analiz etmeye odaklanmıştır. Isı borusunun kondenser kısmı, yapısal olmayan, kare oluk ve V-oluk gibi farklı yüzey topoğrafyalarına sahip dikey bir plaka olarak düşünülmüştür. İkinci görev olarak, işlenmemiş yüzeyler üzerinde gerçekleştirilen deneylerdeki ısı akışı ve ısı transfer katsayıları hesaplanmıştır. Yanı sıra, Ultra-ever dry kimyasal madde ile kaplamadan önce ve sonra işlem yapılmış iki durum üzerine çalışılırken, yüzey enerjisi ve damlacık temas açısı dahil olmak üzere yüzey topografyalarının bazı özellikleri incelenmiştir, Bir başka görev olarak, 1.02 Bar'lık sabit buhar basıncında, kaplama yapılmamış her bir numuneye ait mevcut çalışmanın analitik sonuçları ile diğer yazarların deney sonuçlarını karşılaştırmak olmuştur. Son görev olarak ise, çeşitli buhar basınçlarında farklı topografiler ve ıslatmalar (hidrofobik yüzey) ile dikey bir yüzey üzerindeki yoğunlaşma olayını gözlemlemek için IPTES silan kaplama uygulanmıştır. Günümüzdeki iletim ve konveksiyon yoluyla çalışan geleneksel termal yönetim sistemleri yüksek miktarda atık ısı ürettiklerinde yeterli kalmamaktadır. Sıkıca paketlenmiş çift taraflı PCB'ler ve yüksek güçlü LED'ler, cihaz arızalarına yol açabilecek, istenmeyen bölgesel ısı üretirken, bu gibi termal sorunların örnekleri olarak düşünülebilir. Sistem güvenilirliğini sağlamak için ise daha etkili yeni soğutma tekniklerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu sebeple, ısı borusu-gömülü PCB ile özel bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, yerel sıcaklık dağılımını belirlemek ve analitik ve deney sonuçlarını doğrulamak için bir dizi sayısal model geliştirilmiştir. Sonuçlar, ısı borusunun düzleştirildiği ve bilinen iletkenliklere sahip plakaların içine gömüldüğü zaman, yayılma direncinin etkili ısı yayılmasına bağlı olarak önemli ölçüde düştüğünü göstermektedir. Her bir duruma özgü termal dirençler de polimer veya alüminyumdan yapılmış bir PCB'nin geleneksel soğutması ile karşılaştırılmıştır. Önerilen soğutma metodu, toplam direncin yaklaşık %50 oranında azaldığını göstermektedir. Ayrıca, yoğuşma deneyleri sırasında yeni yüzeylere ait özellikler bir başka görev olarak incelenmiştir. Hidrofobik yüzeyler, sıvı-katı temas açısının kontrol edilmesiyle sıvı geçirmezliğini arttırmak için yaygın olarak kullanılan yeni yüzeylerden bazılarıdır. Bu mikro-nano dokulu yüzeyler, aşındırma, elektrospinleme ve kimyasal buhar biriktirme gibi gelişmiş üretim teknolojileri ve yöntemleri kullanılarak imal edilir. Bu yüzeyler, bir malzemenin dış etkilerden korunması ve birikimden kaçınılması gibi çeşitli amaçlar için kullanılabilirken, aynı zamanda ısı transfer mekanizmalarını geliştirdiği de kabul edilmektedir. Bu sebeple, mikro-nano dokulu yüzeylerin sıvı ıslatma olayı üzerindeki etkisini araştırmak için bir dizi deneysel ve analitik çalışma yapılmıştır. Sıvı-duvar etkileşimi, damlacık oluşumu için anahtar bir parametre olduğundan, sıvı ıslatma olayının bir ısı borusu kondansatörünün ısı transfer performansı üzerindeki etkisi de bu çalışmanın bir başka ilgi alanı olarak incelenmiştir. Bu amaçla, mikro ölçekli farklı yüzey topoğrafyalarına sahip bakır numuneler daldırmalı kaplama ve sprey kaplama teknikleri kullanılarak kimyasal arıtma işlemine tabi tutulmuştur. Ultra-ever dry ile kaplamadan önce ve sonra, kullanılacak yüzeylerdeki damlacık temas açısındaki farkı belirlemek için iyonsuzlaştırılmış su ile ölçümler yapılmıştır. Analitik çalışmada, temas açıları ve yüzey enerjilerini tahmin etmek için literatürdeki mevcut analitik korelasyonlar ile kapiler Laplace denklemi kullanılmıştır. Sonuçlar, kaplanmış kare oluklu yüzeyin, v-oluklu yüzeye göre %4.6 oranında daha büyük bir ortalama temas açısına sahip olduğunu açıkça göstermektedir. Süper hidrofobik yüzeyin işlenmemiş yüzeylere kıyasla yoğuşma ısı transfer hızı üzerindeki etkisi de araştırılmış ve bu görevde açıklanmıştır. Bu nedenle, su buharı soğutulmuş, nano kaplı mikro yapılı bakır substratlar üzerinde yoğunlaşırken sıvı taşınması ve ısı aktarımı üzerine deneysel araştırmalar genel bir düzenekte gerçekleştirilmiştir. İki tip yüzey kullanılmıştır: referans yüzey olarak yapılandırılmamış bir örnek ve uzunlamasına yönelimli kare geometrili mikro yapılara sahip bir örnek. İlk deney seti, nano parçacıkların kaplanmadığı mikro-yapılı yüzeyler ile gerçekleştirilirken, diğer ölçümler, mikro-yapıları nano partiküller ile ticari olarak temin edilebilen bir karışım Ultra-ever dry kullanılarak sprey kaplama yapıldıktan sonra gerçekleştirilmiştir. Son olarak, yüzey sıcaklığı, ısı akısı ve ısı transfer katsayısı karşılaştırılarak farklı bir yüzey topografyasının etkisi incelenmiştir. Genel olarak, ısı transferi katsayısının sıcaklık farkı (Tv,ch - Ts) arttıkça tüm yüzeylerde düştüğü görülmüştür. Ayrıca, yüzeylerdeki mikro olukların ısı transferi katsayısı ve ısı akışında önemli bir artışa neden olmadıkları ve yapısal olmayan yüzeyde benzer bir davranış sergiledikleri anlaşılmaktadır. Spesifik olarak, yüzey kaplamalı numuneler kaplanmamış numunelere kıyasla daha düşük ısı transferi katsayısı değerlerini göstermektedir. Bir başka görevde ise, mikro yapılı yüzeyler üzerinde damlalı ve filmli modları sırasında yoğuşma olayının temellerini anlamak ve 1.02 Bar'da farklı topoğrafyalı işlenmemiş yüzeylerdeki yoğuşma süreçlerinin deneysel doğrulamasına odaklanılmıştır. Yoğuşma için analitik hesaplamalar ve deneyler, dikey olarak hizalanmış bakır substratlarda gerçekleştirilmiştir. Üç farklı yüzey topografyasının, buharın doyma basıncı ve soğutma sıvısının giriş sıcaklığı gibi çeşitli çalışma parametreleri altında yoğuşma işlemi üzerindeki etkisini gözlemlemek için bir deney düzeneği kullanılmıştır. Yapılandırılmamış bir yüzeyde ölçülen deneysel ısı transfer katsayıları, V-oluklar ve kare oluklara sahip işlenmiş yüzeylerden sırasıyla %30 ve %7.2 oranında daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca, bir buhar odası içindeki buhar basıncının, çeşitli yüzey topografileri ve ıslanma (hidrofobiklik) koşullarında yoğuşma üzerine etkisi incelenmiştir. Hidrofobik yüzey, damlacık temas açısı arttıkça güçlü bir damlalı yoğuşma geçişine neden olduğu için perfluoro-silan kaplama uygulanarak bir daldırmalı kaplama prosesinde hazırlanmıştır. Bu çalışmada, buhar basıncının, hem yapısal olmayan hem de mikro yapılı yüzeyleri içeren işlem görmemiş ve işlenmiş yüzeylerdeki damlacık filmli yoğuşmaya etkileri çeşitli Reynolds sayılarında gözlemlenmiştir. Tüm yüzeylerdeki deneysel sonuçlar, kaplama sonucu damla temas açısında bir artışın elde edildiğini göstermektedir. Sonuç olarak, kaplama uygulandıktan sonra, diğer örnekler ile karşılaştırıldığında, en büyük damlacık temas açısı (130.9°± 2.0°) mikroyapı kare oluk yüzeyinde elde edilmiştir. Son olarak, gömülü ısı borusunun ısıl direncinin, konvansiyonel ısı borusunun termik direncinden daha düşük olduğu görülmüş ve etkin ısı iletkenliğinin gömülü ısı borusunun ısı borusu eğim açısına göre değişimi araştırılmıştır. Eğim açısı -90°'den 90°'ye değiştirildiğinde, maksimum ısı akışındaki (76 W/cm2) etkin ısı iletkenliği %68.7 oranında artmaktadır. Ayrıca, yoğuşma testlerinde Ultra-ever dry kaplamanın uygulanabilirliği sorgulanmıştır. Ultra-ever dry kaplamanın, süper-hidrofobik yüzey üzerinde 165°'den fazla büyük bir temas açısı sağlamasına rağmen yüksek sıcaklık gradyanlarında uygulanamaması sebebiyle yoğuşma testleri için uygun bir kaplama tekniği olmadığı tespit edilmiştir. Diğer taraftan, yapılandırılmamış yüzey yoğuşma ısı transferinde mikro yapılardan daha iyi bir iyileştirme sağlamaktadır. Yoğuşma ısı katsayısı ise tüm yüzeylerde buhar basıncındaki artışla beraber yükselmektedir.