Local heat transfer, geometrical variation and acting forces of an evaporating water droplet in a static electric field

Abstract

The main mission of this work has been to study the effect of applying a static electric field to an evaporating water droplet. This is a field that is still underdeveloped and for consequent this project tries to offer a preliminary investigation that could be used in future works. The study of the droplet is divided in optical and thermal analysis. The optical analysis is based on the droplet height, diameter, volume, contact angle and forces acting on the droplet. The thermal parameters are the different ways of heat transfer occurring in the droplet environment. Especially the location and the peaks concerning the convective heat transfer are studied. A water droplet of an initial volume of 80 μl is evaporated using four electric field strengths; 0 kV/cm, 5 kV/cm, 10 kV/cm and 11 kV/cm. For each electric field strength characterised, optical and thermal images are acquired and processed using a MATLAB model. Application and subsequent increase in electric field strength was found to have a great influence on the shape of the droplet, but not a clear enhancement neither on the maximal heat flux magnitude and nor on the rate of volumetric change. Analysing the results, it was found that the contact line of the droplet remained pinned throughout the evaporation in all cases. That is to say that the diameter remained constant throughout the evaporation in all cases. Despite the constancy in the diameter, the droplet height and contact angle changed. It was observed that while the electric field strength was augmented and the droplet diameter was constant, the height increased and the angle calculated at the three-phase contact line decreased. Thus, a direct relationship among these three parameters was found. This behaviour seemed logical since the droplet always search to be in equilibrium. Analysing the heat transfer results and volume evolution, where the electric field seemed to have no influence of them, it was finally concluded that the application of a static electric field has not a clear enhancement of the evaporative characteristics. Potential directions for future work are identified and discussed.

El objetivo principal de este trabajo ha sido estudiar el efecto de la aplicación de un campo eléctrico estático sobre una gota de agua en proceso de evaporación. Esta es un área que todavía no ha sido ampliamente desarrollada, por lo que este proyecto trata de proporcionar una investigación preliminar que podría ser utilizada en futuras investigaciones. El estudio de la gota se divide en un análisis óptico y otro térmico. El análisis óptico se basa en la altura de la gota, el diámetro, el volumen, el ángulo de contacto así como en las diferentes fuerzas que actúan en las pequeñas gotas. Los parámetros térmicos son los diferentes medios de transferencia de calor que se producen entre la superficie, donde la gota se encuentra, y el ambiente. Especialmente la localización y magnitud de los picos en la transferencia de calor por convección han sido estudiados. Una gota de agua con un volumen inicial de 80 !l se evapora utilizando cuatro magnitudes de campo eléctrico; 0 kV/cm, 5 kV/cm, 10 kV/cm y 11 kV/cm. Para cada uno de los casos, una serie de imágenes ópticas y térmicas han sido obtenidas, las cuales han sido procesadas utilizando un programa de MATLAB. Después de aplicar y posteriormente aumentar la intensidad del campo eléctrico se observó que este ultimo tiene una gran influencia en la forma de la gota, pero no produce una mejora significativa ya sea en transferencia de calor o en la evolución volumétrica de la gota. Analizando los resultados se encontró que la línea de contacto de la gota con la superficie permanece fijada durante la evaporación en todos los casos. Esto significa que el diámetro se mantiene constante durante la evaporación en todos los casos. A pesar de esta constancia del diámetro, la altura de la gota y el ángulo de contacto ha cambiado. Se ha observado que, mientras se aumentó la intensidad del campo eléctrico y el diámetro de la gota se mantenía constante, la altura aumentaba, y el ángulo calculado en la triple línea de contacto (sólido-líquido-gas) disminuía. Por lo tanto, se encontró una relación directa entre estos tres parámetros. Este comportamiento parece coherente pensando en el hecho de que la gota siempre trata de estar en equilibrio. Analizando los resultados de la transferencia de calor y la evolución del volumen, donde como ya comentado anteriormente el campo eléctrico no parecía influenciar, se concluyó finalmente que la aplicación de un campo eléctrico estático no provoca una clara mejoría en las características de evaporación. Para finalizar se han presentado posibles propuestas para futuras investigaciones.