Экспериментальное исследование испарения капель воды и наножидкости на поверхности материалов с разной теплопроводностью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты экспериментальных исследований испарения капель воды и наножидкости, лежащих на поверхности различных материалов. В качестве подложки использовались пластины из материалов с существенно отличающимися коэффициентами теплопроводности: меди (λ = 401 Вт/м °С), тефлона (λ = 0.25 Вт/м °С) и экструзионного пенополистирола (λ = 0.03 Вт/м °С). В экспериментах рассматривалось испарение капель воды и наножидкости объемом 5 мкл при постоянной температуре и влажности окружающего воздуха. Приготовление наножидкости (смеси воды с наночастицами золота) выполнялось методом лазерной абляции. В наножидкости массовая концентрация наночастиц составляла около 0.1%. В экспериментах с применением метода инфракрасной термографии были определены средние температуры поверхностей капель в процессе их испарения. Полученные результаты показали, что для всех исследованных материалов температура поверхности испаряющихся капель воды была выше температуры адиабатного испарения. При этом, чем меньше был коэффициент теплопроводности материала, тем ниже была температура поверхности капли и тем больше было время ее испарения. В результате выполненных экспериментов установлено, что минимальное значение температуры капель наножидкости было ниже, чем у капель воды, а время испарения у капель наножидкости было больше, чем у капель воды на соответствующих поверхностях.

Об авторах

А. Н. Стерлягов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: sterlyagov@itp.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Лаврентьева 1

М. И. Низовцев

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sterlyagov@itp.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Лаврентьева 1

Список литературы

  1. Ranz W.E., Marshall W.R. Evaporation from drops // Chem. Eng. Prog. 1952. T. 48. № 3. P. 141–146.
  2. Fuchs N.A. Evaporation and Droplet Growth in Gaseous Media. Pergamon Press, 1959.
  3. Picknett R.G., Bexon R. The evaporation of sessile or pendant drops in still air // Journal of Colloid and Interface Science. 1977. T. 61. № 2. P. 336–350.
  4. Law C.K. Recent advances in droplet vaporization and combustion // Progress in energy and combustion science. 1982. T. 8. № 3. P. 171–201.
  5. Cazabat A.M., Guena G. Evaporation of macroscopic sessile droplets // Soft Matter. 2010. T. 6. № 12. P. 2591–2612.
  6. Erbil H.Y. Evaporation of pure liquid sessile and spherical suspended drops: a review // Advances in Colloid and Interface Science. 2012. T. 170. № 1–2. P. 67–86.
  7. Hu H., Larson R.G. Evaporation of a sessile droplet on a substrate // The Journal of Physical Chemistry B. 2002. T. 106. № 6. P. 1334–1344.
  8. Brutin D., Sobac B., Nicloux C. Influence of substrate nature on the evaporation of a sessile drop of blood // Journal of Heat Transfer. 2012. T. 134. № 6. P. 061101-1–061101-7.
  9. Кучма А.Е. и др. Динамика испарения бинарной сидячей капли: теория и сравнение с экспериментом для капли раствора серной кислоты // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 6. С. 747–755.
  10. Ozturk T., Erbil H.Y. Evaporation of water-ethanol binary sessile drop on fluoropolymer surfaces: influence of relative humidity // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2018. T. 553. P. 327–336.
  11. Chulkova E. V. et al. Elimination of wetting study flaws in unsaturated vapors based on Laplace fit parameters // Surface Innovations. 2020. V. 1. № 10. P. 21–24.
  12. Бородулин В.Ю. и др. Экспериментальное исследование испарения капель водно-спиртовых растворов // Коллоидный журнал. 2019. Т. 81. № 3. С. 289–295.
  13. Бородулин В.Ю. и др. Влияние относительной влажности воздуха на испарение капель водного раствора этанола // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 3. С. 251–257.
  14. Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Влияние поверхностно-активного вещества на интенсивность испарения подвешенных капель воды // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 1. С. 107–113.
  15. Gatapova E.Y., Semenov A.A., Zaitsev D.V., Kabov O.A. Evaporation of a sessile water drop on a heated surface with controlled wettability // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014. 41. P. 776–785.
  16. Савенко О.А., Лебедев-Степанов П.В. Квазистационарное испарение малой капли жидкости на плоской подложке: аналитическое решение в биполярных координатах // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 3. С. 328–337.
  17. David S., Sefiane K., Tadrist L. Experimental investigation of the effect of thermal properties of the substrate in the wetting and evaporation of sessile drops // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2007. T. 298. № 1–2. P. 108–114.
  18. Dunn G.J. et al. The strong influence of substrate conductivity on droplet evaporation // Journal of Fluid Mechanics. 2009. T. 623. P. 329–351.
  19. Sobac B., Brutin D. Thermal effects of the substrate on water droplet evaporation // Physical Review E. 2012. T. 86. № 2. P. 021602.
  20. Bazargan V., Stoeber B. Effect of substrate conductivity on the evaporation of small sessile droplets // Physical Review E. 2016. T. 94. № 3. P. 033103.
  21. Lopes M.C. et al. Influence of the substrate thermal properties on sessile droplet evaporation: Effect of transient heat transport // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2013. T. 432. P. 64–70.
  22. Han K. et al. An experimental and theoretical study of the effect of suspended thermocouple on the single droplet evaporation // Applied thermal engineering. 2016. T. 101. P. 568–575.
  23. Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Температура поверхности испаряющихся капель бинарных растворов // Ползуновский вестник. 2010. № 1. С. 55–59.
  24. Nakoryakov V.E., Misyura S.Y., Elistratov S.L. Boiling crisis in droplets of ethanol water solution on the heating surface // Journal of Engineering Thermophysics. 2013. T. 22. № 1. P. 1–6.
  25. Bochkareva E.M. et al. Integrated experimental and theoretical study of evaporation process of nonideal solutions // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2017. T. 891. № 1. P. 012010.
  26. Высоцкий В.В. и др. Перколяционные переходы в композитных структурах, формирующихся при испарении капель дисперсий наночастиц серебра // Коллоидный журнал. 2011. Т. 73. № 2. С. 173–181.
  27. Высоцкий В.В. и др. Испарение капель дисперсий наночастиц серебра на металлических поверхностях // Коллоидный журнал. 2014. Т. 76. № 5. С. 578–586.
  28. Высоцкий В.В. и др. Влияние температуры на процесс формирования кольцевого осадка при испарении капель дисперсий наночастиц серебра // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 2. С. 134–141.
  29. Zaibudeen A.W., Bandyopadhyay R. Correlating the drying kinetics and dried morphologies of aqueous colloidal gold droplets of different particle concentrations // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022. T. 646. P. 128982.
  30. Gan Y., Qiao L. Evaporation characteristics of fuel droplets with the addition of nanoparticles under natural and forced convections // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2011. T. 54. № 23–24. P. 4913–4922.
  31. Дмитриев А.С., Макаров П.Г. Об испарении жидкости из капель коллоидных растворов наночастиц SiO2 и Fe2O3 // Коллоидный журнал. 2015. Т. 77. № 2. С. 144–151.
  32. Starinskaya E.M. et al. Effect of SiO2 nanoparticle addition on the evaporation of a suspended water droplet // Heat Transfer Research. 2022. T. 53. № 9. P. 43−56.
  33. Starinskaya E.M. et al. Investigation of heat transfer during evaporation of droplets of Fe3O4 nanofluids from biphilic surfaces // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. T. 2119. № 1. P. 012083.
  34. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. Учебное пособие, изд. 3, доп. М.: “Высшая школа”, 1971. 460 с.
  35. Starinskiy S.V. et al. Comparison of structures of gold nanoparticles synthesized by pulsed laser ablation and magnetron sputtering // Journal of Structural Chemistry. 2017. T. 58. № 8. P. 1581–1587.
  36. Старинский С.В., Шухов Ю.Г., Булгаков А.В. Влияние размеров наночастиц на спектр экстинкции коллоидных растворов, полученных при лазерной абляции золота в воде // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 4. С. 343–346.

Дополнительные файлы


© А.Н. Стерлягов, М.И. Низовцев, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».