Surface functionalization in two-phase closed thermosyphons to decrease the severity of Geyser Boiling Phenomenon

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vieira, Gabriel Serafin Couto
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247349
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Surface functionalization in two-phase closed thermosyphons to decrease the severity of Geyser Boiling PhenomenonEngenharia mecânicaTermossífõesSuperfícies (Tecnologia)Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.Este trabalho investiga estratégias para melhorar o processo de nucleação de bolhas dentro de termossifões, através da modificação de suas superfícies internas, o que caracteriza a funcionalização dessas superfícies. Uma bancada experimental foi projetada para permitir o estudo da dinâmica das bolhas durante o fenômeno Geyser Boiling. A bancada de teste é projetada para induzir a ocorrência do fenômeno e permite a visualização de sua seção interna. Os dados da pesquisa foram coletados com a ajuda de uma câmera de alta velocidade e termopares. Após o ajuste fino da bancada de testes, foi calculado o tamanho do sítio de nucleação associado ao excesso mínimo de temperatura. Inicialmente, planejou-se utilizar um laser pulsado de nanossegundos para microusinagem dessas cavidades. No entanto, após a iteração inicial com os parâmetros do processamento a laser, a máquina de microusinagem a laser ficou indisponível. Isso forçou a mudança do processamento a laser para uma ferramenta de perfuração contendo tamanho apropriado. Várias estratégias de funcionalização foram implementadas e comparados com ensaios usados como referência, nos quais a bancada de testes teve sua superfície interna totalmente polida. As estratégias de funcionalização testadas foram: um único local de nucleação, vários locais de nucleação, superfícies lixadas e superfícies cobertas com telas de malha. Como critério de sucesso, a melhor estratégia é aquela que permite reduzir as temperaturas das paredes do evaporador e diminuir as oscilações de temperatura durante o fenômeno de Geyser Boiling. Por meio da análise da temperatura e dos dados visuais, constatou-se que as superfícies revestidas com malha de tela apresentaram os melhores resultados, com redução do excesso de temperatura e um fluxo constante de bolhas nucleadas visualmente observadas. Acredita-se que o sucesso por trás dessa estratégia seja a existência de inúmeros sítios de nucleação resultantes do contato entre a malha da tela e a superfície interna do tubo. Para testar ainda mais a viabilidade da estratégia, quatro termossifões, com dimensões semelhantes à bancada de testes anterior, foram fabricados. Destas, duas são feitas do mesmo material da bancada anterior (ou seja, cobre) e duas de aço carbono. Um invólucro de cada material foi equipado com a malha de tela. Ao final dos testes, observou-se que a combinação de invólucros com menor condutividade térmica leva a uma menor propagação térmica do calor de entrada. Por sua vez, isso levou à ativação de vários locais de nucleação criados pelo contato da malha de tela com a superfície do tubo.Abstract: This work investigates strategies to improve the bubble nucleation process inside thermosyphons, through the modification of their internal surfaces, which characterizes the functionalization of these surfaces. An experimental test bench was designed to allow the study of bubble dynamics during the Geyser Boiling phenomenon. The test bench is designed to induce the phenomenon and allows the visualization of its internal section. Experimental data was collected with the help of a high-speed camera and thermocouples. After fine-tuning the test bench, the size of the nucleation site associated with the minimum temperature excess was calculated. Initially, it was planned to use a pulsed nanosecond laser for the micromachining of these cavities. However, after the initial iteration with laser processing parameters, the laser micromachining machine became unavailable. This forced a change from laser processing to an appropriately sized punch tool. Several functionalization strategies were implemented and compared with tests used as a benchmark, in which the test bench had its internal surface fully polished. The functionalization strategies tested were: a single nucleation site, multiple nucleation sites, sanded surfaces, and surfaces covered with mesh screens. As a success criterion, the best strategy is the one that allows the reduction of the temperatures of the evaporator walls and decreases the temperature oscillations during the Geyser Boiling phenomenon. Through analysis of temperature and visual data, it was found that surfaces covered with mesh screen showed the best results, with a reduction in excess temperature and a constant flow of nucleated bubbles visually observed. It is believed that the success behind this strategy is the existence of numerous nucleation sites resulting from the contact between the screen mesh and the inner surface of the tube. To further test the viability of the strategy, four thermosyphons, with dimensions similar to the previous test bench, were manufactured. Two are made of the same material as the previous bench (i.e., copper), and two are of carbon steel. One casing of each material was fitted with the screen mesh. After the tests, it was observed that the combination of casings with lower thermal conductivity leads to a smaller thermal propagation of the incoming heat. In turn, this led to the activation of several nucleation sites created by contact of the screen mesh with the tube surface.Mantelli, Márcia Barbosa HenriquesPereira, MiltonUniversidade Federal de Santa CatarinaVieira, Gabriel Serafin Couto2023-06-28T18:24:46Z2023-06-28T18:24:46Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis151 p.| il., gráfs.application/pdf380863https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247349engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-06-28T18:24:47Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/247349Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732023-06-28T18:24:47Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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