Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 1, стр. 85-92

ВВЕДЕНИЕ

Исследование процесса испарения капель жидкости, лежащих на поверхности, является классической фундаментальной задачей, которой посвящено большое количество публикаций [1–6]. В большинстве экспериментальных и численных исследований испарения лежащих капель жидкостей, как правило, рассматривается изменение геометрических параметров капель (угол смачивания, диаметр контактного пятна) [7, 8] в зависимости от внешних условий (температуры и давления паров жидкости в окружающей среде) [9, 10]. При исследованиях испарения лежащих капель большое внимание следует уделять особенностям смачивания поверхности, поскольку они в значительной степени определяют параметры испаряющихся капель [11]. В работе [12] рассмотрено влияние концентрации спирта на процесс испарения лежащих и подвешенных капель водно-спиртовых растворов. В работе [13] выполнен анализ влияния относительной влажности окружающего воздуха на изменение геометрических параметров и температуры капель водно-спиртовых растворов в процессе испарения. В работе [14] показано существенное отличие скорости испарения капель чистой воды и капель с содержанием поверхностно-активного вещества. На процесс испарения лежащих капель помимо внешних условий большое влияние оказывает поверхность подложки. Шероховатость и смачиваемость поверхности подложки определяет форму капли и режим испарения [15] и существенно влияет на скорость испарения капли при разных значениях контактного угла [16]. Кроме того, процесс испарения лежащих капель существенно зависит от теплопроводности материала подложки. В ряде работ [17–21] показано сильное влияние теплопроводности подложки на время испарения лежащей капли. В отдельных работах [17, 18] выполнен численный анализ изменения температур капель в процессе испарения и проведены измерения температуры капель с применением термопар. В работе [21] показано, что на поверхностях с одинаковой смачиваемостью испарение капель, лежащих на подложках с низкой теплопроводностью, происходило за более длительное время, чем на подложках с высокой теплопроводностью. Однако при использовании контактных методов измерения температуры нарушается целостность капли и происходит подвод тепла через термопару, что может приводить к существенным ошибкам при измерении [22]. Поэтому при исследовании испарения капель для получения информации о температуре испаряющихся капель эффективно использовать бесконтактный метод инфракрасной термографии [23–25].

В последние годы в связи с широким распространением нанотехнологий появились исследования, посвященные испарению капель наножидкостей. Значительное число экспериментальных и теоретических работ посвящено изучению закономерностей формирования осадков из наночастиц на подложках при испарении капель наножидкостей. В работах [26–28] исследуется процесс формирования кольцевых осадков при испарении капель водных дисперсий наночастиц серебра размером порядка 10 нм и массовой концентрацией 0.05–0.2% на подложках из различных материалов. В исследованиях показано значительное влияние материала подложки на скорость испарения капель и соответственно на процессы формирования кольцевых осадков, образующихся при испарении капель. В работе [29] исследуется зависимость характеристик осадков и кинетики испарения капель водных дисперсий со сферическими наночастицами золота размером 40–60 нм, лежащих на кремниевых подложках. В исследованиях экспериментально и численно показано, что с увеличением концентрации наночастиц увеличивается время испарения капель и изменяется динамика испарения. Увеличение времени испарения капель различных наножидкостей по сравнению с чистыми жидкостями, также получено в ряде работ [30–32] для подвешенных капель. В то же время в работе [33] установлено, что капли наножидкости с наночастицами Fe₃O₄, лежащие на структурированной поверхности, имеют более высокую температуру испарения и более высокую скорость испарения по сравнению с каплями чистой воды. Таким образом, в ряде работ получено противоположное влияние наночастиц на скорость испарения капель, лежащих на поверхностях, поэтому этот вопрос требует дальнейшего изучения. Следует отметить, что в большинстве численных и экспериментальных исследований, как правило, в основном рассматривается изменение геометрических параметров капель и осадков, образующихся при испарении капель наножидкостей. При этом в экспериментальных исследованиях малое внимание уделяется изменению температуры капель, характеризующему процесс испарения, и существенно зависящему от характеристик подложки.

В рамках данной работы было выполнено экспериментальное исследование испарения капель воды и наножидкости, лежащих на поверхностях разных материалов, существенно отличающихся коэффициентом теплопроводности.

ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для исследования испарения капель жидкости на горизонтальных поверхностях различных материалов была использована экспериментальная установка Института теплофизики СО РАН, приведенная на рис. 1.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки: 1 – капля исследуемой жидкости; 2 – подложка; 3 – тепловизионная камера; 4 – скоростная цифровая видеокамера, 5 – датчик термогигрометра; 6 – персональный компьютер.

В вертикальном положении над рабочим участком располагалась тепловизионная камера (3), сбоку от рабочего участка устанавливаcь скоростная цифровая видеокамера (4). Температура и влажность окружающего воздуха фиксировались термогигрометром (5). Все данные с измерительной аппаратуры поступали на персональный компьютер (6). Эксперимент по исследованию испарения капли проводился следующим образом: на поверхность подложки (2) помещалась капля (1), которая формировалась с помощью капельного дозатора “Thermo Scientific” с точностью 0.1 мкл. Капля имела начальную температуру равную температуре окружающей среды, T = 24°С.

В процессе испарения капли методом инфракрасной термографии в различные моменты времени определялось распределение температуры на поверхности капли. В экспериментах использовалась тепловизионная камера NEC TH 7102WV, позволяющая регистрировать распределение температуры на поверхности капли с точностью 0.1°С. В целях калибровки и для определения коэффициента излучения поверхности дополнительно выполнялись контактные измерения температуры подложки.

В качестве подложки в экспериментах использовались пластины толщиной 3 мм из различных материалов: меди c коэффициентом теплопроводности λ = 401 Вт/м °С, тефлона (политетрафторэтилена Ф-4) с λ = 0.25 Вт/м °С и экструзионного пенополистирола c λ = 0.03 Вт/м °С.

В экспериментах изучалось испарение капель объемом 5 мкл при постоянной температуре, T = 24°С, и относительной влажности воздуха, φ = 24%. Температура адиабатного испарения определена по I-d диаграмме [34] и для условий эксперимента составляла T_m = 12.7°С.

В экспериментах рассматривалось испарение капель двух различных жидкостей: дистиллированной воды и наножидкости. В качестве наножидкости использовалась смесь воды с наночастицами золота. Приготовление наножидкости выполнялось методом импульсной лазерной абляции [35]. В результате воздействия наносекундными лазерными импульсами на золотую пластину под тонким слоем воды был получен коллоидный раствор – наножидкость на основе воды с наночастицами золота. С помощью просвечивающего электронного микроскопа было определено, что в полученной наножидкости преобладают наночастицы сферичной формы с характерным размером ≈10 нм [36]. Согласно выполненным оценкам, массовая концентрация наночастиц золота в наножидкости составляла порядка 0.1%.

ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

В экспериментах с применением скоростной микрофотосъемки исследовалось изменение геометрических параметров испаряющихся капель. На рис. 2 представлены фотографии капель воды и наножидкости, лежащие на различных подложках в начальный момент.

Рис. 2.

Фотографии капель воды (а) и наножидкости (б), лежащих на поверхностях материалов с разной теплопроводностью.

Полученные данные показали, что для всех рассмотренных поверхностей капли наножидкости имели угол смачивания на ≈2.5° больше, чем капли воды на соответствующей поверхности. Относительная погрешность измерения угла смачивания, обусловленная разбросом результатов серии экспериментов, не превышала 2.0%. Отличие в угле смачивания воды и наножидкости вероятно объясняется особенностями взаимодействия и самоорганизации наночастиц, расположенных на межфазной границе жидкости и подложки. Очевидно, что малые отличия смачиваемости и соответственно углов смачивания для капель воды и наножидкости объясняются малой концентрацией наночастиц.

На основании полученных данных скоростной микрофотосъемки были определены временные зависимости диаметра контактного пятна испаряющихся капель воды и наножидкости, лежащих на поверхностях разных материалов (рис. 3).

Рис. 3.

Изменение диаметра контактного пятна капель воды и наножидкости, на поверхностях материалов с различной теплопроводностью.

Полученные результаты показали, что для всех рассмотренных поверхностей капли наножидкости имели меньший диаметр начального контактного пятна и большее время испарения, чем капли воды на соответствующей поверхности. Следует отметить, что для капель воды и наножидкости на поверхности экструзионного пенополистирола наблюдался режим “пиннинга” – диаметр контактного пятна на начальном этапе испарения практически не изменялся. При испарении капель на поверхности меди и тефлона диаметр контактного пятна для капель воды и наножидкости уменьшался с самого начала процесса испарения.

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В процессе испарения капель с использованием метода инфракрасной термографии определялось распределение температуры на поверхностях капель в различные моменты времени. Из полученных данных следует, что распределение температуры на поверхности капли было неравномерное и изменялось с течением времени, что существенно усложняло анализ. Поэтому в качестве количественного критерия была выбрана средняя температура поверхности капли. Далее под “температурой капли” подразумевается “средняя температура поверхности капли”. Согласно выполненным оценкам, погрешность определенной температуры составляла порядка 2%.

На основании полученных данных были определены временные зависимости средних температур испаряющихся капель воды, лежащих на поверхностях разных материалов (рис. 4).

Рис. 4.

Изменение средней температуры капель воды, испаряющихся на поверхностях материалов с различной теплопроводностью.

Из полученных данных следует, что изменение температуры испаряющейся капли существенно зависело от теплопроводности материала поверхности. Для капли воды, лежащей на медной пластине, наблюдалось резкое повышение температуры до температуры пластины, соответствующей температуре окружающего воздуха. В дальнейшем температура капли практически не изменялась до ее полного испарения. Для капли на поверхности пластины из тефлона после резкого уменьшения температуры капли на 2.5°С по сравнению с начальным значением наблюдалось плавное повышение температуры до температуры окружающего воздуха. Для капли на поверхности пластины из пенополистирола сначала наблюдалось резкое понижение температуры капли на 10.3°С, затем была стадия с ее продолжительным плавным повышением и резкий рост до температуры окружающего воздуха на завершающем этапе испарения. Более существенное понижение температуры почти до температуры адиабатного испарения T_m = = 12.7°С в аналогичных условиях наблюдается для свободной подвешенной на нити капли [12]. Полученные данные показывают, что температура капель воды, испаряющихся на поверхности материала, не достигала температуры адиабатного испарения. Очевидно, это было связано с подводом тепла к каплям от поверхности материала. Наблюдалась следующая закономерность: чем меньше была теплопроводность материала, тем меньше был тепловой поток от поверхности пластины и, соответственно, тем сильнее понижалась температура капли и тем больше она приближалась к температуре адиабатного испарения. Соответственно, чем меньше была теплопроводность материала, тем ниже была температура капли в процессе испарения, и больше было время испарения капли. Наименьшее время испарения наблюдалось для капли на медной пластине. Вследствие большой теплопроводности меди подвод тепла к капле осуществлялся настолько интенсивно, что понижения температуры практически не наблюдалось.

Полученные данные по изменению температуры поверхностей испаряющихся капель на качественном уровне хорошо согласуются с экспериментальными и расчетными данными других исследователей [17, 18]. В отличие от указанных работ, применение метода инфракрасной термографии позволило определить температуру капель без контакта с ними и получить данные по динамике изменения температуры на поверхностях испаряющихся капель с более высокой точностью.

С применением метода инфракрасной термографии было также получено изменение средней температуры поверхностей капель наножидкости, лежащих на поверхностях разных материалов. Для наглядности на рисунке также показаны данные для капель воды при аналогичных условиях (рис. 5).

Рис. 5.

Изменение средней температуры поверхностей капель воды и наножидкости, на поверхностях материалов с различной теплопроводностью.

Полученные в экспериментах данные показали, что характер изменения температуры испаряющихся капель наножидкости практически не отличался от температуры капель воды. Очевидно, это объясняется незначительной концентрацией наночастиц в наножидкости. Следует отметить, что минимальное значение температуры капель наножидкости было меньше, чем у капель воды на соответствующих поверхностях. При этом время испарения у капель наножидкости было незначительно больше, чем у капель воды. Вероятно, это объясняется большей вязкостью наножидкости, которая затрудняет конвекцию в капле и тем самым замедляет теплообмен, а больший угол смачивания приводит к меньшей площади контакта жидкости с поверхностью при фиксированном объеме капли и соответственно меньшим подводом тепла от поверхности к капле наножидкости.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

На основании полученных экспериментальных данных построена зависимость разности температуры окружающего воздуха и минимальной температуры капель воды и наножидкости в процессе испарения от коэффициента теплопроводности материала подложки (рис. 6).

Рис. 6.

Зависимость разности температуры окружающего воздуха и минимальной температуры капли воды и наножидкости от коэффициента теплопроводности материала подложки.

Полученные данные показывают, что чем больше теплопроводность материала подложки, тем меньше разность температуры капли и окружающей среды, как для воды, так и для капли наножидкости. На поверхности пенополистирола и тефлона разность температур для капель наножидкости была незначительно больше, чем для капель воды. Для капель, испаряющихся на поверхности меди отличий нет, очевидно вследствие большой теплопроводности меди и соответственно интенсивного подвода тепла.

На основании полученных экспериментальных данных построена зависимость времени испарения капель от коэффициента теплопроводности материала подложки (рис. 7).

Рис. 7.

Зависимость времени испарения капли воды и наножидкости от коэффициента теплопроводности материала подложки.

Полученные данные показывают, что чем больше теплопроводность материала подложки, тем меньше время испарения капель воды и наножидкости. При этом, как уже отмечалось выше, для всех рассмотренных поверхностей время испарения капель наножидкости было несколько больше, чем капель воды.

Поток пара при испарении капли определялся его диффузией в окружающий воздух. Интенсивность испарения капли зависит от разности давлений пара вблизи поверхности капли и вдали от нее [3]. Вблизи поверхности капель водяной пар можно считать насыщенным при температуре поверхности капли. По измеренным минимальным температурам поверхностей капель была построена зависимость времени испарения капель от перепада давления водяного пара вблизи капли и вдали от нее для капель, лежащих на поверхностях материалов с разной теплопроводностью (рис. 8).

Рис. 8.

Зависимость времени испарения капли воды, лежащей на подложке из разных материалов от перепада давления водяного пара вблизи капли и вдали от нее.

Полученные данные показывают, что более высокий коэффициент теплопроводности материала подложки приводил к большему перепаду давления водяного пара и, соответственно, более интенсивному испарению капли на такой подложке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных экспериментальных исследований испарения капель воды и наножидкости (вода с наночастицами золота с массовой концентрацией 0.1%) на поверхности материалов, имеющих разные коэффициенты теплопроводности, были получены данные по изменению диаметра контактного пятна и средней температуры поверхностей капель в процессе испарения.

В экспериментах установлено, что капли наножидкости на начальном этапе имели больший угол смачивания и соответственно меньший диаметр контактного пятна, чем капли воды на соответствующей поверхности. Полученные в экспериментах данные показали, что для капель, испаряющихся на поверхностях различных материалов, наименьшие значения температуры превышали температуру адиабатного испарения, что было обусловлено подводом тепла от подложки к каплям. Чем меньше коэффициент теплопроводности материала подложки, тем меньше был тепловой поток от поверхности, соответственно, тем сильнее понижалась температура капли и приближалась к температуре адиабатного испарения.

В работе получено, что минимальное значение температуры капель наножидкости в процессе испарения было ниже, чем у капель воды, а время испарения у капель наножидкости больше, чем у капель воды на соответствующих поверхностях. Вероятно, это объясняется тем, что большая вязкость наножидкости затрудняет конвекцию в капле и тем самым замедляет теплообмен, а больший угол смачивания приводит к меньшей площади контакта жидкости с поверхностью при фиксированном объеме капли и соответственно меньшим подводом тепла от поверхности к капле наножидкости.