Испарение капель воды в изолированной от внешней среды камере

Abstract

With an increase in the productivity of power equipment and the miniaturization of its components, the use of traditional thermal management systems becomes insufficient. There is a need to develop drip heat removal systems, based on phase transition effects. Cooling with small volumes of liquids is a promising technology for microfluidic devices or evaporation chambers, which are self-regulating systems isolated from the external environment. However, the heat removal during evaporation of droplets into a limited volume is a difficult task due to the temperature difference in the cooling device and the concentration of water vapor that is unsteady in time depending on the mass of the evaporated liquid. This paper presents the results of an experimental study of the distilled water microdrops’ (5-25 μl) evaporation on an aluminum alloy AMg6 with the temperatures of 298-353 K in an isolated chamber (70 × 70 × 30 mm3 ) in the presence of heat supply to its lower part. Based on the analysis of shadow images, the changes in the geometric dimensions of evaporating drops were established. They included the increase in the contact diameter, engagement of the contact line due to nano roughening and chemical composition inhomogeneous on the surface (90-95% of the total evaporation time) of the alloy and a decrease in the contact diameter. The surface temperature and droplet volume did not affect the sequence of changes in the geometric dimensions of the droplets. It was found that the droplet volume has a significant effect on the evaporation time at relatively low substrate temperatures. The results of the analysis of droplet evaporation rates and hygrometer readings have shown that reservoirs with salt solutions can be used in isolated chambers to control the concentration of water vapor. The water droplets evaporation time was determined. The analysis of the time dependences of the evaporation rate has revealed that upon the evaporation of droplets in an isolated chamber under the conditions of the present experiment, the air was not saturated with water vapor. The latter did not affect the evaporation rate.

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.