TU Darmstadt / ULB / TUprints

Temperaturmessungen und Analyse von Wärme- und Stofftransportvorgängen bei verdunstenden Tropfen

Still, Martin :
Temperaturmessungen und Analyse von Wärme- und Stofftransportvorgängen bei verdunstenden Tropfen.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
diss_20170130.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (19MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Temperaturmessungen und Analyse von Wärme- und Stofftransportvorgängen bei verdunstenden Tropfen
Language: German
Abstract:

Der typische Kaffeefleck ist ungewollt, dunkel umrandet und hat ein helles Inneres. Beschrieben wird seine Entstehung durch den Kaffeefleckeneffekt, ein Phänomen, das nicht nur beim Kaffee zu finden ist, sondern auch bei zahlreichen technischen Flüssigkeiten, durch deren Verdunstung Unkrautbekämpfungsmitteln aufgebracht, Krankheiten diagnostiziert und Elektroniken gedruckt werden. Zu letztgenannten zählen auch Dünnschichttransistoren, bei denen die typischen Fleckenmuster unbedingt vermieden werden müssen, wenn die volle Funktionalität gewährleistet werden soll. In der herstellenden Industrie wird dieses Problem empirisch behoben, beispielsweise durch die Zugabe von Tensiden. Die Forschung hat sich indessen zur Aufgabe gemacht, den Fleck nicht a priori verhindern zu wollen, sondern seine Entstehungsmechanismen zu verstehen und zu kontrollieren.

Theoretische Modelle, die diese Lücke zwischen Anwendung und Grundlagen schließen möchten, gibt es bereits. Belastbare experimentelle Daten fehlen aber. Die größten Hindernisse bis dato sind, dass die Tropfen eine gekrümmte Oberfläche haben und typischerweise kleiner als die kapillare Länge sind, was sie messtechnisch nur schwer zugänglich macht. Die vorliegende Arbeit widmet sich eben dieser Hindernisse und deren Bewältigung. Gegenstand der Untersuchungen sind auf ein unbeheiztes Substrat aufgesetzte reine Wassertropfen. Die Temperaturentwicklung ist während der Verdunstung an den Grenzflächen gemessen worden. Um die benötigte hohe örtliche und thermometrische Auflösung zu garantieren, sind zwei Messtechniken kombiniert worden, die die simultane Temperaturmessung an der Tropfenkappe, der Dreiphasenkontaktlinie und dem Tropfenfußzentrum ermöglichen. Mit einerInfrarotkamera wird von unten durch das Substrat hindurch die Flüssigkeit/Substrat-Grenzfläche vermessen. Gleichzeitig wird ein Mikrothermoelement von oben in die Tropfenkappe getaucht. Das Mikrothermoelement benötigt den Kontakt mit dem Tropfen. Dadurch, dass es in Eigenbau hergestellt wurde, konnte die Messspitze dünner als bei jedem konventionellen Thermoelement gestaltet werden. Der verfälschenden Einfluss der Messtechnik auf die Verdunstungsdynamik eines Tropfens wird so auf ein Minimum reduziert. Ein weiterer Vorteil des Eigenbaus ist, dass die Position der Messstelle genau bekannt ist. Komplett optische Messtechniken, die auch die berührungslose Untersuchung der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche erlauben, sind ebenfalls entwickelt worden. Erste Vorversuche bestätigen das Potential und die prinzipielle Machbarkeit.

Die Einflüsse der Luftfeuchte sowie der Wärmetransporteigenschaften des Substrats sind bestimmt worden. Die Verdunstungsrate ist für Tropfen in trockenerer Luft höher. Für Tropfen auf dem Substrat mit den geringeren Wärmetransporteigenschaften ist sie niedriger. In beiden Fällen ist die Abkühlung der Tropfen verglichen mit ihren jeweiligen Pendants aber höher. Der Diffusionswiderstand ist demnach der dominierende Widerstand im System. Aus den lokal gemessenen Temperaturen werden zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeiten im Tropfeninnern abgeschätzt. Es sind keine partikelbeladene Tropfen oder Kaffeefleckenmuster untersucht worden, nur Reinstoffe. Aus den berechneten Geschwindigkeiten kann abgeleitet werden, dass die nach außen gerichteten hydrodynamischen Kräfte auf die Partikel bei langsamerer Verdunstung niedriger sind. Daher wird sich ein weniger stark ausgeprägter Ring bilden. Luftfeuchte und Wärmetransporteigenschaften im hier untersuchten Rahmen können einen ringförmigen Fleck zwar quantitativ verändern, aber nicht qualitativ.

Ob Marangoni-Strömungen in Wasser auftreten, ist ein kontrovers diskutiertes Thema in der Literatur, bis heute ohne Konsens. Marangoni-Strömungen können entweder als solutokapillare oder thermokapillare Strömungen auftreten. In reinem Wasser sind nur thermokapillare Strömungen möglich, in Mischungen treten zusätzlich solutokapillare auf. Der Vergleich der Temperaturfelder in binären Mischungen mit denen in Wasser lässt darauf schließen, dass in Wasser keine thermokapillaren Strömungen auftreten und die in der Literatur beobachteten Strömungen durch Partikel im Tropfen induziert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The typical coffee stain is unwanted, dark edged, and has a bright center. The formation is explained by the coffee stain effect, a phenomenon not only seen for coffee but for numerous technical fluids. Via droplet evaporation, herbicides are applied, diseases are diagnosed, and electronics are printed. In the latter case, amongst others, the production of thin-film transistors requires homogeneously distributed particle deposits since only this kind of pattern guarantees a full functionality. In industry, this is done for example by adding surfactants to the liquid. In research, preventing the coffee stain is not the main objective but understanding and controlling the formation mechanisms. Theoretical approaches to close the gap between application and fundamentals exist already but reliable experimental data is lacking. The biggest challenges to date have been the fact that the droplets have a curved surface and that they are typically smaller than the capillary length, thus limiting the effectivness of measuring techniques. This work is dedicated to examining these limits and exploring ways how to successfully deal with them. Subject of the investigations is a pure sessile water droplet, sitting on an unheated substrate. The evolution of the interfacial temperatures is measured during the evaporation. To achieve the required high local and thermometric resolution two measurement techniques are combined. This makes possible to simultaneously measure the temperature at the apex, contact line, and droplet base center. With help of an infrared camera, the liquid-solid interface is observed from below through the substrate. At the same time, a micro thermocouple is immersed from the top in the apex of the droplet. The micro thermocouple is a contacting measurement technique. By manufacturing the micro thermocouple inhouse, a smaller tip diameter than for every commerical thermocouple is achieved. This reduces the falsifying influence on the evaporation dynamics of a droplet to a minimum. Additionally, the exact position of the measuring tip is known due to the in-house manufacturing process. Fully optical measurement techniques that also can investigate the liquid-gas interface without any contact are developed as well. Preliminary results confirm the potential and feasibility. The influences of the atmosphere humidity and the heat transport properties of the substrates have been determined. In the dryer atmosphere, the evaporation rate is higher. For droplets on the minor heat transporting substrate the evaporation rate is lower. In both cases, the droplet cools down more during evaporation compared with his matching part. The diffusion resistance is therefore the dominating resistance of the system. From the locally measured temperatures the velocity of the internal convection in the droplet is also calculated. Particle-laden droplets or the patterns of coffee stains have not been investigated, only pure liquids. From the calculated internal velocities it can be seen that the outward directed hydrodynamic forces acting on a particle are lower at slower evaporation. Therefore, a less distinctive ring is formed. Humidity and substrate heat transport properties investigated here can affect the a ring-shaped stain quantitatively but not qualitatively. The existence of Marangoni convection in water is still a controversial topic in the literature, to date without consensus. Marangoni convection can occur in form of solutocapillary convection or thermocapillary convection. In pure water, only thermocapillary convection can arise. In mixtures, solutocapillary convection ocurrs in addition. The comparison of the temperature distribution of binary mixtures with those of pure water suggests that thermocapillary convection is absent in water and that the observed convection in the literature is induced by particles.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Interfacial Transport & Complex Wetting
Date Deposited: 08 Mar 2017 14:28
Last Modified: 08 Mar 2017 14:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59221
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Butt, Prof. Dr Hans-Jürgen and Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana
Refereed: 1 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5922
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year