1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Коллоидный журнал
  4. T. 85, № 6, 2023

Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 6, стр. 837-848

Экспериментальное исследование процесса испарения капель наножидкостей на подложке под действием солнечного излучения

К. Т. Чан 1, *, А. С. Дмитриев 1, П. Г. Макаров 1, И. А. Михайлова 1

1 Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная улица, дом 14, стр. 1, Россия

* E-mail: tranqth.96@gmail.com

Поступила в редакцию 01.09.2023
После доработки 05.10.2023
Принята к публикации 05.10.2023

Аннотация

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию процесса испарения капель наножидкостей диоксида титана, диоксида кремния и алмаза на подложке при взаимодействии с солнечным излучением. Было изучено влияние различных факторов на процесс испарения капель, включая тип материала и концентрацию нанокомпонентов, направление облучения, объем капли и материал подложки. В результате были определены критические концентрации наночастиц для капель исследуемых наножидкостей, при которых скорость испарения капель достигает стабильного уровня. Также проанализированы режимы и стадии процесса испарения капель в случае докритической и критической концентраций наночастиц. Показано, что эффективность испарения капель под действием солнечного излучения сильно зависит от направления облучения. Влияние объема капли и материала подложки на ее скорость испарения также исследовано. Помимо эффективности испарения, проведен анализ морфологии осадочных структур капель, показана их зависимость как от концентрации и типа материала наночастиц, так и от режима испарения капель. Результаты данного исследования позволяют более детально понять, как ведут себя капли в процессе испарения под действием излучения, особенно в инфракрасной области, и подтверждают перспективность применения наножидкостей в солнечной теплоэнергетике.

Ключевые слова: наножидкость, испарение капель, солнечное излучение, режимы испарения, критическая концентрация, морфология осадочной структуры

Список литературы

  1. Brutin D., Starov V. Recent advances in droplet wetting and evaporation // Chem. Soc. Rev. 2018. V. 47. № 2. P. 558–585. https://doi.org/10.1039/c6cs00902f

  2. Дмитриев А.С., Клименко А.В. Преобразование солнечного излучения в пар – новые возможности на основе наноматериалов (обзор) // Теплоэнергетика. 2020. № 2. С. 1–16. https://doi.org/10.1134/S0040363620020010

  3. Дмитриев А.С., Клименко А.В. Перспективы использования двумерных наноматериалов в энергетических технологиях (обзор) // Теплоэнергетика. 2023. № 8. С. 3–26. https://doi.org/10.56304/S0040363623080015

  4. Дмитриев А.С., Макаров П.Г. Об испарении жидкости из капель коллоидных растворов наночастиц SiO2 и Fe2O3 // Коллоид. журн. 2015. Т. 77. № 2. С. 144–151. https://doi.org/10.7868/S0023291215020068

  5. Хлебцов Б.Н. Функциональные наночастицы: синтез и практические применения // Коллоид. журн. 2023. Т. 85. № 4. С. 399–402. https://doi.org/10.31857/S0023291223600426

  6. Parsa M., Harmand S., Sefiane K. Mechanisms of pattern formation from dried sessile drops // Adv. Colloid Interface Sci. 2018. V. 254. P. 22–47. https://doi.org/10.1016/j.cis.2018.03.007

  7. Larson R.G. Transport and deposition patterns in drying sessile droplets // AIChE J. 2014. V. 60. № 5. P. 1538–1571. https://doi.org/10.1002/aic.14338

  8. Zaaroura I., Harmand S., Carlier J. et al. Experimental studies on evaporation kinetics of gold nanofluid droplets: Influence of nanoparticle sizes and coating on thermal performance // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 183. P. 116180. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116180

  9. Минаков А.В., Лобасов А.С., Пряжников М.И. и др. Экспериментальное исследование влияния наночастиц на процессы испарения жидкостей // Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 1. С. 33–41. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.01.48657.61-19

  10. Стерлягов А.Н., Низовцев М.И. Экспериментальное исследование испарения капель воды и наножидкости на поверхности материалов с разной теплопроводностью // Коллоид. журн. 2023. Т. 84. № 1. С. 85–92. https://doi.org/10.31857/S0023291222600511

  11. Есипова Н.Е., Ицков С.В., Соболев В.Д. Гистерезис краевого угла на твердых кристаллических поверхностях // Коллоид. журн. 2023. Т. 85. № 2. С. 158–166.https://doi.org/10.31857/S0023291222600602

  12. Савенко О.А., Лебедев-Степанов П.В. Квазистационарное испарение малой капли жидкости на плоской подложке: аналитическое решение в биполярных координатах // Коллоид. журн. 2022. Т. 84. № 3. С. 328–337. https://doi.org/10.31857/S0023291222030119

  13. Wciślik S., Mukherjee S. Evaluation of three methods of static contact angle measurements for TiO2 nanofluid droplets during evaporation // Phys. Fluids. 2022. V. 34. № 6. P. 062006. https://doi.org/10.1063/5.0096644

  14. Siddiqui F.R., Tso C.Y., Fu S.C. et al. Droplet evaporation and boiling for different mixing ratios of the silver-graphene hybrid nanofluid over heated surfaces // Int. J. Heat Mass Transf. 2021. V. 180. P. 121786. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121786

  15. Katre P., Balusamy S., Banerjee S. et al. Evaporation dynamics of a sessile droplet of binary mixture laden with nanoparticles // Langmuir. 2021. V. 37. № 20. P. 6311–6321. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00806

  16. Chen P., Harmand S., Szunerits S. et al. Evaporation behavior of PEGylated graphene oxide nanofluid droplets on heated substrate // Int. J. Therm. Sci. 2019. V. 135. P. 445–458. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.06.030

  17. Кузнецов Г.В., Феоктистов Д.В., Орлова Е.Г., Батищева К.А. Режимы испарения капли воды на медных подложках // Коллоид. журн. 2016. Т. 78. № 3. С. 319–324. https://doi.org/10.7868/S0023291216030083

  18. Parsa M., Boubaker R., Harmand S. et al. Patterns from dried water-butanol binary-based nanofluid drops // J. Nanoparticle Res. 2017. V. 19. № 8. P. 268. https://doi.org/10.1007/s11051-017-3951-2

  19. Picknett R.G., Bexon R. The evaporation of sessile or pendant drops in still air // J. Colloid Interface Sci. 1977. V. 61. № 2. P. 336–350. https://doi.org/10.1016/0021-9797(77)90396-4

  20. Orejon D., Shanahan M.E., Takata Y., Sefiane K. Kinetics of evaporation of pinned nanofluid volatile droplets at subatmospheric pressures // Langmuir. 2016. V. 32. № 23. P. 5812–5820. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b00753

  21. Minakov A.V., Lobasov A.S., Pryazhnikov M.I. et al. Experimental study of the influence of nanoparticles on evaporation of fluids // Tech. Phys. 2020. V. 65. № 1. P. 29–36. https://doi.org/10.1134/S1063784220010181

  22. Siddiqui F.R., Tso C.Y., Fu S.C., Qiu H.H., Chao C.Y. Evaporation and wetting behavior of silver-graphene hybrid nanofluid droplet on its porous residue surface for various mixing ratios // Int. J. Heat Mass Transf. 2020. V. 153. P. 119618. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119618

  23. Zaaroura I., Toubal M., Carlier J., Harmand S., Nongaillard B. Nanofluids dynamic viscosity evolution using high-frequency acoustic waves: Application applied for droplet evaporation // J. Mol. Liq. 2021. V. 341. P. 117385. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117385

  24. Chen P. Enhancement of drops evaporation using nanoparticles and alcohols. Mechanics [physics.med-ph]. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis, 2018. English.

  25. Shin D.H., Choi C.K., Kang Y.T., Lee S.H. Local aggregation characteristics of a nanofluid droplet during evaporation // Int. J. Heat Mass Transf. 2014. V. 72. P. 336–344. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.01.023

  26. Brutin D. Influence of relative humidity and nano-particle concentration on pattern formation and evaporation rate of pinned drying drops of nanofluids // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2013. V. 429. P. 112–120. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.03.012

  27. Osman A., Shahidzadeh N., Stitt H., Shokri N. Morphological transformations during drying of surfactant-nanofluid droplets // J. Ind. Eng. Chem. 2018. V. 67. P. 92–98. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.06.019

  28. Lee H.H., Fu S.C., Tso C.Y., Chao C.Y. Study of residue patterns of aqueous nanofluid droplets with different particle sizes and concentrations on different substrates // Int. J. Heat Mass Transf. 2017. V. 105. P. 230–236. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.093

  29. Wu H., Briscoe W.H. Morphogenesis of polycrystalline dendritic patterns from evaporation of a reactive nanofluid sessile drop // Phys. Rev. Mater. 2018. V. 2. № 4. P. 045601.

  30. Wasik P., Redeker C., Dane T.G. Hierarchical surface patterns upon evaporation of a ZnO nanofluid droplet: Effect of particle morphology // Langmuir. 2018. V. 34. № 4. P. 1645–1654. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b03854

  31. Gultekinoglu M., Jiang X., Bayram C. et al. Self-assembled micro-stripe patterning of sessile polymeric nanofluid droplets // J. Colloid Interface Sci. 2020. V. 561. P. 470–480. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.11.021

  32. Askounis A., Sefiane K., Koutsos V., Shanahan M.E. Effect of particle geometry on triple line motion of nano-fluid drops and deposit nano-structuring // Adv. Colloid Interface Sci. 2015. V. 222. P. 44–57. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.05.003

  33. Amjad M., Yang Y., Raza G. et al. Deposition pattern and tracer particle motion of evaporating multi-component sessile droplets // J. Colloid Interface Sci. 2017. V. 506. P. 83–92. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.07.025

  34. Wąsik P., Seddon A.M., Wu H., Briscoe W.H. Bénard–Marangoni dendrites upon evaporation of a reactive ZnO nanofluid droplet: Effect of substrate chemistry // Langmuir. 2019. V. 35. № 17. P. 5830–5840. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b00109

  35. Bigdeli M.B., Tsai P.A. Making photonic crystals via evaporation of nanoparticle-laden droplets on superhydrophobic microstructures // Langmuir. 2020. V. 36. № 17. P. 4835–4841. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c00193

  36. Wąsik P., Seddon A.M., Wu H., Briscoe W.H. Dendritic surface patterns from Bénard-Marangoni instabilities upon evaporation of a reactive ZnO nanofluid droplet: A fractal dimension analysis // J. Colloid Interface Sci. 2019. V. 536. P. 493–498. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.10.077

  37. Архипов В.А., Басалаев С.А., Золоторёв Н.Н., Перфильева К.Г., Усанина А.С. Особенности испарения капли при лучистом и конвективном нагреве // Письма в журнал технической физики. 2020. V. 46. № 8. P. 25–28. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.08.49304.18209

  38. Xu J., Yan X., Liu G., Xie J. The critical nanofluid concentration as the crossover between changed and unchanged solar-driven droplet evaporation rates // Nano Energy. 2019. V. 57. P. 791–803. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.01.013

  39. Awais M., Bhuiyan A.A., Salehin S. et al. Synthesis, heat transport mechanisms and thermophysical properties of nanofluids: A critical overview // International Journal of Thermofluids. 2021. V. 10. P. 100086. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2021.100086

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Коллоидный журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал