Испарение капель воды в изолированной от внешней среды камере

Об авторах:

Батищева Ксения Артуровна, аспирант, инженер научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; bka1801@mail.ru; ORCID: 0000-0002-2810-6769

Нурпейис Атлант Едилулы, кандидат технических наук, ассистент, Научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; nurpeiis_atlant@mail.ru

Аннотация:

С увеличением производительности энергетического оборудования и миниатюризации его компонентов применение традиционных систем обеспечения теплового режима недостаточно. Возникает необходимость разработки систем капельного теплоотведения, в основе которых лежат эффекты фазового перехода. Капельное охлаждение является перспективной технологией, которая может использоваться в изолированных от внешней среды устройствах (например, в испарительных камерах). Но теплоотведение при испарении капель в ограниченный объем является сложной задачей из-за концентрации водяных паров в охлаждающем устройстве, которая зависит от массы испарившейся жидкости и нестационарна во времени. Увеличение концентрации приводит к снижению скорости испарения и ухудшению теплоотведения. Необходимо регулировать концентрацию водяных паров при испарении капель жидкостей.

Целью настоящей работы являлось определение скоростей испарения, времен «жизни» и геометрических размеров капель воды на поверхностности алюминиевого сплава АМг6 при температурах 298-353 К в изолированной от внешней среды камере в условиях подвода тепла к ее нижней части и регулирования массовой концентрации водяных паров насыщенным раствором хлорида натрия. Визуализация процесса испарения капель воды осуществлялась по теневой методике с помощью источника света и видеокамеры. Геометрические размеры испаряющихся капель получены при обработке теневых изображений методом Юнга — Лапласа. По результатам их анализа установлены последовательность изменений геометрических размеров испаряющихся капель с поверхности алюминиевого сплава и влияние температур и объемов на скорости и времена испарения.

В настоящей работе предложено использовать резервуары с насыщенными растворами солей для регулирования концентрации водяных паров при охлаждении поверхности каплями жидкостей в изолированных камерах. По результатам анализа скоростей испарения и показаний гигрометра установлено, что наличие в камере насыщенного раствора соли позволяет регулировать концентрацию образовавшегося при испарении водяного пара. Поступивший водяной пар поглощался солью и конденсировался на внутренних поверхностях камеры.

Список литературы:

1. Занавескин М. Л. Микрофлюидика и ее перспективы в медицине / М. Л. Занавескин, А. А. Миронова, А. М. Попов // Молекулярная медицина. 2012. № 5. С. 1-8.

2. Кабов О. А. Влияние гистерезиса смачивания на растекание капли под действием гравитации / О. А. Кабов, Д. В. Зайцев // Доклады Академии Наук, Механика. 2013. № 451. С. 37-40.

3. Колпаков А. Охлаждение в системах высокой мощности / А. Колпаков // Силовая электроника. 2010. № 3. С. 62-66.

4. Кузнецов Г. В. Испарение капель жидкостей с поверхности анодированного алюминия / Г. В. Кузнецов, Д. В. Феоктистов, Е. Г. Орлова // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Том 23. № 1. С. 17-22.

5. Boreyko J. B. Planar jumping-drop thermal diodes / J. B. Boreyko, Y. Zhao, C. H. Chen // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 99. Pp. 1-4.

6. Boreyko J. B. Self-propelled dropwise condensate on superhydrophobic surfaces / J. B. Boreyko, C. H. Chen // Physical Review Letters. 2009. Vol. 103. Pp. 2-5.

7. Boreyko J. B. Vapor chambers with jumping-drop liquid return from superhydrophobic condensers / J. B. Boreyko, C. H. Chen // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 61. Pp. 409-418.

8. Doganci M. D. Diffusion-controlled evaporation of sodium dodecyl sulfate solution drops placed on a hydrophobic substrate / M. D. Doganci, B. U. Sesli, H. Y. Erbil // Journal of Colloid and Interface Science. 2011. Vol. 362. Pp. 524-531.

9. Fukatani Y. Effect of ambient temperature and relative humidity on interfacial temperature during early stages of drop evaporation / Y. Fukatani, D. Orejon, Y. Kita, Y. Takata, J. Kim, K. Sefiane // Physical Review E. 2016. Vol. 93. Pp. 1-16.

10. Gatapova E. Y. Evaporation dynamics of a sessile droplet on glass surfaces with fluoropolymer coatings: focusing on the final stage of thin droplet evaporation / E. Y. Gatapova, A. M. Shonina, A. I. Safonov, V. S. Sulyaeva, O. A. Kabov // Soft Matter. 2018. Vol. 14. Pp. 1811-1821.

11. Gatapova E. Y. Evaporation of a sessile water drop on a heated surface with controlled wettability / E. Y. Gatapova, A. A. Semenov, D. V. Zaitsev, O. A. Kabov // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014. Vol. 441. Pp. 776-785.

12. Hu D. Effect of liquid-vapor interface area on the evaporation rate of small sessile droplets / D. Hu, H. Wu, Z. Liu // International Journal of Thermal Sciences. 2014. Vol. 84. Pp. 300-308.

13. Ivanova N. A. Wetting of hydrophobic substrates by pure surfactants at continuously increasing humidity / N. A. Ivanova, N. S. Kubochkin, V. M. Starov // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. Vol. 519. Pp. 71-77.

14. Kiper I. Sessile drop evaporation on (super)hydrophobic surfaces: effect of low pressure on the contact line dynamics / I. Kiper, R. Fulcrand, C. Pirat, G. Simon, B. Stutz, S. M. M. Ramos // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2015. Vol. 482. Pp. 617-623.

15. Kubochkin N. S. Droplet shape and wetting behavior under the influence of cyclically changing humidity / N. S. Kubochkin, N. A. Ivanova // Langmuir. 2019. Vol. 35. Pp. 5054-5059.

16. Miljkovic N. Jumping-droplet-enhanced condensation on scalable superhydrophobic nanostructured surfaces / N. Miljkovic, R. Enright, Y. Nam, K. Lopez, N. Dou, J. Sack, E. N. Wang // Nano Letters. 2013. Vol.  13. Pp. 179-187.

17. Ozturk T. Evaporation of water-ethanol binary sessile drop on fluoropolymer surfaces: Influence of relative humidity / T. Ozturk, H. Y. Erbil // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2018. Vol. 553. Pp. 327-336.

18. Patankar G. Patterning the condenser-side wick in ultra-thin vapor chamber heat spreaders to improve skin temperature uniformity of mobile devices / G. Patankar, J. A. Weibel, S. V. Garimella // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 101. Pp. 927-936.

19. Prakash J. Modeling of sessile droplet evaporation on engineered surfaces / J. Prakash, B. S. Sikarwar // Journal of Thermal Science and Engineering Applications. 2019. Vol. 11. Pp. 1350-1353.

20. Rykaczewski K. Multimode multidrop serial coalescence effects during condensation on hierarchical superhydrophobic surfaces / K. Rykaczewski, A. T. Paxson, S. Anand, X. Chen, Z. Wang, K. K. Varanasi // Langmuir. 2013. Vol. 29. Pp. 881-891.