Ψύξη με εξάτμιση μικροσταγόνων

Χύσα, Κλέιντα; Chysa, Kleinta

dc.contributor.author	Χύσα, Κλέιντα	el
dc.contributor.author	Chysa, Kleinta	en
dc.date.accessioned	2025-05-21T10:01:50Z
dc.date.available	2025-05-21T10:01:50Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61918
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29614
dc.rights	Default License
dc.subject	Εξάτμιση μικροσταγόνων	el
dc.subject	Ψύξη λόγω εξάτμισης	el
dc.subject	Γωνία επαφής	el
dc.subject	Τραχύτητα	el
dc.subject	Φαινόμενο Marangoni	el
dc.subject	Microdroplet evaporation	en
dc.subject	Evaporative cooling	en
dc.subject	Contact angle	en
dc.subject	Roughness	en
dc.subject	Marangoni effect	en
dc.title	Ψύξη με εξάτμιση μικροσταγόνων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-11
heal.abstract	Η εξάτμιση μικροσταγόνων είναι ένα φαινόμενο που επιτελεί κρίσιμο ρόλο σε πολλές επιστημονικές και βιομηχανικές εφαρμογές όπως η ψύξη επιφανειών. Η εργασία επικεντρώνεται στην υπολογιστική μοντελοποίηση των συζευγμένων μηχανισμών που διέπουν την εξάτμιση σταγόνων, δίνοντας βαρύτητα στην διαβρεκτικότητα της επιφάνειας και τα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Σημαντικό σημείο της διερεύνησης ήταν η ψυκτική ικανότητα της εξατμιζόμενης σταγόνας, η οποία είναι κρίσιμο μέγεθος σε τομείς όπως η ψύξη ηλεκτρονικών, όπου είναι αναγκαία η προστασία των ευαίσθητων εξαρτημάτων από την υψηλή θερμοκρασία. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις εκτελέστηκαν στο εμπορικό λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων COMSOL Multiphysics®. Εξετάστηκε η εξάτμιση τόσο σε λείες όσο και τραχείες επιφάνειες. Τα κυριότερα μεγέθη που εξετάζονται είναι η μεταβολή της φαινόμενης γωνίας επαφής, η θέση της τριφασικής γραμμής επαφής της σταγόνας, η θερμοκρασία τόσο της σταγόνας όσο και της στερεής επιφάνειας, η ταχύτητα εντός του ρευστού μαζί με τις ανακυκλοφορίες και η ψύξη που προκαλείται στο υπόστρωμα. Η προσομοίωση της εξάτμισης των σταγόνων σε αυτές τις επιφάνειες δίνει την δυνατότητα να μελετηθεί το πώς η τραχύτητας τη επιφάνειας, η διαβρεκτικότητα και η βαθμίδα της θερμοκρασίας επιδρούν στον ρυθμό της εξάτμισης και την συμπεριφορά της γραμμής επαφής υγρού-στερεού- αέρα (τριφασικής γραμμής επαφής) της εξατμιζόμενης σταγόνας. Σε λείες επιφάνειες, ο ρυθμός εξάτμισης παρουσιάζεται βραδύτερος σε σχέση με τις τραχείες, στις οποίες διατηρείται σταθερή η ακτίνα επαφής μεταξύ στερεού και υγρού. Παράλληλα, μελετάται ο ρόλος του φαινομένου Marangoni, η εκδήλωση του οποίου οφείλεται σε βαθμίδα επιφανειακής τάσης, προερχόμενη από την θερμοκρασία των επιμέρους περιοχών του υγρού. Η βαθμίδα της θερμοκρασίας, και κατά συνέπεια της επιφανειακής τάσης, ωθεί στην ανάπτυξη ανακυκλοφοριών εντός του ρευστού και επηρεάζει την διαδικασία της εξάτμισης. Η παραμετρική ανάλυση της ροής Marangoni γίνεται μέσω της επίδρασης των διαφορετικών λόγων θερμικής αγωγιμότητας στερεού (𝑘��𝑠��) προς αυτήν του υγρού (𝑘��𝑙��). Παρατηρούνται τα κρίσιμα μεγέθη που χαρακτηρίζουν τον κάθε λόγο αγωγιμοτήτων και επιβεβαιώνεται με την θεωρία πως για λόγο θερμικών αγωγιμοτήτων 𝑘��𝑅�� < 1.45, η ροή αντιστρέφεται όταν η φαινόμενη γωνία επαφής λάβει την τιμή των 31°. Στις τρεις παραμετροποιήσεις υπολογίστηκαν οι αντίστοιχοι ρυθμοί εξάτμισης και διαπιστώθηκε πως στην επιφάνεια με τον μεγαλύτερο λόγο 𝑘��𝑅�� (επιφάνεια από τιτάνιο) η ρυθμός εξάτμισης ήταν κατά 36% μεγαλύτερος από ότι στην επιφάνεια από τεφλόν (μικρότερος λόγος θερμικών αγωγιμοτήτων στερεού προς υγρού). Στην ίδια προσομοίωση υπολογίστηκε και ο ρυθμός απαγωγής θερμότητας από το στερεό και βρέθηκε πως στο τιτάνιο ο ρυθμός ήταν κατά 40% μεγαλύτερος από αυτόν του τεφλόν. Τέλος, μελετήθηκε το βάθος ψύξης του υποστρώματος εξαιτίας της εξάτμισης και διαπιστώθηκε πως η ψύξη που επιτεύχθηκε στο υπόστρωμα με την μικρότερη θερμική αγωγιμότητα διείσδυσε σε μεγαλύτερο βάθος, συγκριτικά με την επιφανειακή ψύξη που υπολογιζόταν στις περισσότερο αγώγιμες επιφάνειες. Τέλος, η εργασία διερευνά την επίδραση της εισαγωγής θερμαινόμενου υποστρώματος κάτω από την σταγόνα, μία συνθήκη που αυξάνει τον ρυθμό εξάτμισης και οδηγεί σε ταχύτερη ολοκλήρωση της εξάτμισης. Εξετάστηκαν δύο διαφορετικές θερμοκρασίες υποστρώματος: 10°C και 30°C πάνω από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όταν η θερμοκρασία αυξήθηκε κατά 30°C πάνω από αυτήν του περιβάλλοντος, ο ρυθμός εξάτμισης της σταγόνας ήταν σημαντικά υψηλότερος (51 ∙ 10−4 𝑘��𝑔��/𝑚��2𝑠��) σε σχέση με την περίπτωση που το υπόστρωμα θερμαινόταν κατά 10°C (12.7 ∙ 10−4 𝑘��𝑔��/𝑚��2𝑠��). Επιπλέον, υπολογίστηκε και ο ρυθμός απαγωγής θερμότητας από το στερεό υπόστρωμα στην κάθε περίπτωση, και βρέθηκε ίσος με 11.7 ∙ 10−3 𝑊�� και 6.1 ∙ 10−3 𝑊�� αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από την αύξηση των 10°C είναι παραπλήσια με αυτά από την μελέτη χωρίς θερμοκρασιακή επιβολή στο υπόστρωμα και διαπιστώθηκε πως η μονωτική ιδιότητα του υλικού του υποστρώματος δεν επιτρέπει την παρατήρηση έντονων φαινομένων μεταφοράς θερμότητας για μικρές θερμοκρασιακές επιβολές. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων είναι συμβατά με τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει από την βιβλιογραφία, καταδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα του μοντέλου να προβλέψει την συμπεριφορά της σταγόνας, καθιστώντας την μεθοδολογία που ακολουθήθηκε ένα πολύτιμο εργαλείο για την μελέτη της εξάτμισης σταγόνων σε πρακτικές εφαρμογές.	el
heal.advisorName	Παπαθανασίου, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Topakas, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Kavousanakis, Michail	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	59 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false