Transferência de calor evaporativo ultra-alta medida localmente em filmes de água submicrométricos

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22353 (2022) Citar este artigo

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A evaporação de filme fino é uma solução de gerenciamento térmico amplamente utilizada para micro/nanodispositivos com altas densidades de energia. As medições locais da taxa de evaporação em uma interface líquido-vapor, entretanto, são limitadas. Apresentamos um perfil contínuo do coeficiente de transferência de calor por evaporação (\(h_{\text {evap}}\)) na região de filme fino submícron de um menisco de água obtido através 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 micrométrica, 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 de substrato de 20 K, o máximo \(h_{\text {evap}}\) é \(1.0_{-0.3}^{+0.5}\) MW/\(\text {m}^2\ )-K em uma espessura de filme de \(15_{-3}^{+29}\) nm. Este valor ultra-alto \(h_{\text {evap}}\) 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 de parede constante, 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% vêm dos próximos 100 μm.

A resolução espacial de taxas de evaporação amplificadas em filmes líquidos com espessura de nanômetros e micrômetros, como são encontrados em meniscos, é um desafio de longa data . Medições precisas requerem precisão lateral submicrométrica e uma estrutura de modelagem para interpretar os resultados. Medições experimentais sondaram a evaporação no menisco macroscópico estendido, onde o coeficiente de transferência de calor da 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 na taxa de evaporação e, portanto, na taxa de transferência de calor, na região do 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 concorrentes resultam em um perfil não monotônico para a taxa de transferência de calor por evaporação, como mostrado esquematicamente na Fig. A quantificação desse perfil revelará caminhos para amplificar a transferência de calor em soluções térmicas de micro/nanoestruturas usadas para gerenciar eletrônicos de alta densidade de potência, onde o resfriamento monofásico de ar/líquido não consegue 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 altos fluxos de massa.

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 utilizadas para medir temperaturas locais. Os perfis de fluxo de calor e/ou temperatura relatados demonstram maior transferência de calor perto da borda do menisco (isto é, 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 têm sido usados ​​para estudar a mudança de fase de vapor líquido. Park et al. usaram espectroscopia ultrarrápida de bomba-sonda para estudar a evaporação de um filme líquido fino. Eles obtiveram a resposta da espessura do filme dependente do tempo a um pulso óptico de bomba de picossegundos, mas não relataram um perfil de taxa de evaporação. A termorrefletância no domínio do tempo foi usada por Mehrvand e Putnam para estudar a evaporação de microcamadas em bolhas únicas durante a ebulição da água.4 Mais recentemente, Che et al. combinou termorrefletância no domínio do tempo e análise numérica para estudar a evaporação de um filme líquido octano . Eles relatam a variação do coeficiente geral 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. em média, com diâmetro de ponto de laser de 10 μm, seu perfil geral de coeficiente de transferência de calor não pode resolver valores inferiores a 2 μm da borda do menisco. Apesar destes avanços, o isolamento do coeficiente de transferência de calor evaporativo com resolução em microescala em todo o menisco não foi obtido experimentalmente.