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Jul 22, 2023

Transferência de calor por evaporação ultraalta medida localmente em filmes de água submicron

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22353 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A evaporação de película fina é uma solução de gerenciamento térmico amplamente utilizada para micro/nanodispositivos com altas densidades de energia. Medições locais da taxa de evaporação em uma interface líquido-vapor, no entanto, são limitadas. Apresentamos um perfil contínuo do coeficiente de transferência de calor por evaporação (\(h_{\text {evap}}\)) na região do filme fino submicrométrico de um menisco de água obtido por meio de medições locais interpretadas por um substituto aprendido por máquina do sistema físico. A termorrefletância no domínio da frequência (FDTR), um método baseado em laser sem contato com resolução lateral de micrômetro, é usada para induzir e medir a evaporação do menisco. Uma rede neural é então treinada usando simulações de elementos finitos para extrair o perfil \(h_{\text {evap}}\) dos dados FDTR. Para um superaquecimento do substrato de 20 K, o máximo \(h_{\text {evap}}\) é \(1.0_{-0.3}^{+0.5}\) MW/\(\text {m}^2\ )-K a uma espessura de filme de \(15_{-3}^{+29}\) nm. Este valor ultraalto de \(h_{\text {evap}}\) é duas ordens de grandeza maior que o coeficiente de transferência de calor para convecção forçada monofásica ou evaporação de um líquido a granel. Sob a suposição de temperatura constante da parede, nossos perfis de \(h_{\text {evap}}\) e espessura do menisco sugerem que 62% da transferência de calor vem da região situada a 0,1–1 μm da borda do menisco, enquanto apenas 29% vem dos próximos 100 μm.

A resolução espacial das taxas de evaporação amplificadas em filmes líquidos de espessura nanométrica e micrométrica, como os encontrados nos meniscos, é um desafio antigo1,2,3,4. Medições precisas requerem precisão lateral submicrométrica e uma estrutura de modelagem para interpretar os resultados. Medições experimentais sondaram a evaporação no menisco estendido macroscópico, onde o coeficiente de transferência de calor por evaporação assume seu valor bruto de 0,001–0,1 MW/\(\text {m}^2\)-K5,6,7. A teoria sugere intrigantemente um aumento de até três ordens de grandeza da taxa de evaporação e, portanto, da taxa de transferência de calor, na região de filme fino do menisco, mas essas previsões ainda não foram validadas8,9,10,11,12 ,13.

A taxa de evaporação de um filme líquido fino é controlada por uma competição entre a resistência térmica do filme e uma pressão líquida suprimida. Este último resulta da pressão de separação \(P_d\), que mede a força de interação entre o substrato sólido e o filme líquido. Uma espessura de filme menor: (i) Diminui a resistência térmica, levando a um maior superaquecimento na interface líquido-vapor, o que aumenta a evaporação, e (ii) Aumenta \(P_d\), que suprime a evaporação8,9,10,14. Esses efeitos competitivos resultam em um perfil não monotônico para a taxa de transferência de calor por evaporação, conforme mostrado esquematicamente na Fig. 1a. A quantificação desse perfil revelará caminhos para amplificar a transferência de calor em soluções térmicas de micro/nanoestrutura usadas para gerenciar eletrônicos de alta densidade de potência, onde o resfriamento de ar/líquido monofásico não pode atender à demanda15,16,17,18,19,20,21. A eficiência da geração térmica solar22,23,24 e dos processos de dessalinização25,26 também será melhorada pela engenharia de evaporação em filmes líquidos finos para obter fluxos de massa elevados.

Estudos experimentais de evaporação de filme líquido fino são frequentemente conduzidos extraindo o perfil de temperatura ao longo de um menisco em uma superfície aquecida. Câmeras infravermelhas11,12,13 e termopares8,9,10,27 com resolução espacial de 6 μm a 2 mm têm sido utilizados para medir as temperaturas locais. Fluxo de calor relatado e/ou perfis de temperatura demonstram transferência de calor aprimorada perto da borda do menisco (ou seja, a linha de contato trifásica). Como alternativa, Höhmann et al.28 utilizaram cristais líquidos termocrômicos (TLCs) com resolução espacial de 1 μm. Os TLCs, no entanto, sofrem de vida útil limitada e alta incerteza de medição12,29. Métodos baseados em laser sem contato também foram usados ​​para estudar a mudança de fase líquido-vapor. Park e cols. usou espectroscopia de sonda de bomba ultrarrápida para estudar a evaporação de um filme líquido fino. Eles obtiveram a resposta da espessura do filme dependente do tempo para um pulso óptico da bomba de picossegundos, mas não relataram um perfil de taxa de evaporação30. A termorrefletância no domínio do tempo foi usada por Mehrvand e Putnam para estudar a evaporação da microcamada em bolhas únicas durante o fluxo de ebulição da água.4 Mais recentemente, Che et al. combinação de termorrefletância no domínio do tempo e análise numérica para estudar a evaporação de um filme líquido octano31. Eles relatam a variação do coeficiente global de transferência de calor ao longo do menisco, obtendo um valor máximo de 0,44 MW/\(\text {m}^2\)-K. Este valor inclui a resistência térmica condutiva do líquido. Porque Che et al. média em um diâmetro de ponto de laser de 10 μm, seu perfil geral de coeficiente de transferência de calor não pode resolver valores que estejam a menos de 2 μm da borda do menisco. Apesar desses avanços, o isolamento do coeficiente de transferência de calor por evaporação com resolução em microescala em todo o menisco não foi obtido experimentalmente.