Trasferimento di calore evaporativo ultraelevato misurato localmente in film d'acqua submicronici

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22353 (2022) Citare questo articolo

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L'evaporazione a film sottile è una soluzione di gestione termica ampiamente utilizzata per micro/nano-dispositivi con elevate densità di energia. Le misurazioni locali del tasso di evaporazione all’interfaccia liquido-vapore, tuttavia, sono limitate. Presentiamo un profilo continuo del coefficiente di scambio termico di evaporazione (\(h_{\text {evap}}\)) nella regione del film sottile submicronico di un menisco d'acqua ottenuto attraverso misurazioni locali interpretate da un surrogato del sistema fisico appreso dal computer. La termoriflettenza nel dominio della frequenza (FDTR), un metodo laser senza contatto con risoluzione laterale micrometrica, viene utilizzato per indurre e misurare l'evaporazione del menisco. Una rete neurale viene quindi addestrata utilizzando simulazioni agli elementi finiti per estrarre il profilo \(h_{\text {evap}}\) dai dati FDTR. Per un surriscaldamento del substrato di 20 K, il massimo \(h_{\text {evap}}\) è \(1,0_{-0,3}^{+0,5}\) MW/\(\text {m}^2\ )-K con uno spessore del film di \(15_{-3}^{+29}\) nm. Questo valore ultraelevato \(h_{\text {evap}}\) è due ordini di grandezza maggiore del coefficiente di trasferimento di calore per la convezione forzata monofase o l'evaporazione da un liquido sfuso. Supponendo che la temperatura della parete sia costante, i nostri profili di \(h_{\text {evap}}\) e lo spessore del menisco suggeriscono che il 62% del trasferimento di calore proviene dalla regione situata a 0,1–1 μm dal bordo del menisco, mentre solo Il 29% proviene dai successivi 100 μm.

La risoluzione spaziale dei tassi di evaporazione amplificati in film liquidi di spessore nanometrico e micrometrico, come quelli riscontrati nei menischi, è una sfida di lunga data1,2,3,4. Misurazioni accurate richiedono una precisione laterale inferiore al micron e una struttura di modellazione per interpretare i risultati. Misure sperimentali hanno sondato l'evaporazione nel menisco esteso macroscopico, dove il coefficiente di trasferimento del calore di evaporazione assume il suo valore complessivo di 0,001–0,1 MW/\(\text {m}^2\)-K5,6,7. La teoria suggerisce in modo interessante un aumento fino a tre ordini di grandezza della velocità di evaporazione, e quindi della velocità di trasferimento del calore, nella regione del film sottile del menisco, ma queste previsioni non sono state ancora convalidate8,9,10,11,12 ,13.

La velocità di evaporazione da un film liquido sottile è controllata da una competizione tra la resistenza termica del film e la pressione del liquido soppressa. Quest'ultima risulta dalla pressione di disgiunzione \(P_d\), che misura la forza di interazione tra il substrato solido e il film liquido. Uno spessore del film inferiore: (i) diminuisce la resistenza termica, portando a un surriscaldamento più elevato all'interfaccia liquido-vapore, che migliora l'evaporazione, e (ii) aumenta \(P_d\), che sopprime l'evaporazione8,9,10,14. Questi effetti concorrenti si traducono in un profilo non monotono per la velocità di trasferimento del calore di evaporazione, come mostrato schematicamente in Fig. 1a. La quantificazione di questo profilo rivelerà percorsi per amplificare il trasferimento di calore nelle soluzioni termiche micro/nanostruttura utilizzate per gestire l'elettronica ad alta densità di potenza, dove il raffreddamento aria/liquido monofase non può soddisfare la domanda15,16,17,18,19,20,21. L'efficienza della generazione solare termica22,23,24 e dei processi di desalinizzazione25,26 sarà inoltre migliorata ingegnerizzando l'evaporazione in film liquidi sottili per ottenere flussi di massa elevati.

Gli studi sperimentali sull'evaporazione di film liquido sottile vengono spesso condotti estraendo il profilo di temperatura lungo un menisco su una superficie riscaldata. Per misurare la temperatura locale sono state utilizzate termocamere a infrarossi11,12,13 e termocoppie8,9,10,27 con risoluzione spaziale da 6 μm a 2 mm. I profili del flusso di calore e/o della temperatura riportati dimostrano un maggiore trasferimento di calore vicino al bordo del menisco (cioè la linea di contatto trifase). In alternativa, Höhmann et al.28 hanno utilizzato cristalli liquidi termocromici (TLC) con una risoluzione spaziale di 1 μm. Le TLC, tuttavia, soffrono di una durata di vita limitata e di un'elevata incertezza di misurazione12,29. Per studiare il cambiamento di fase liquido-vapore sono stati utilizzati anche metodi laser senza contatto. Parco et al. hanno utilizzato la spettroscopia ultraveloce con sonda a pompa per studiare l'evaporazione di un sottile film liquido. Hanno ottenuto la risposta dello spessore del film dipendente dal tempo a un impulso ottico della pompa di picosecondi, ma non hanno riportato un profilo della velocità di evaporazione30. La termoriflettenza nel dominio del tempo è stata utilizzata da Mehrvand e Putnam per studiare l'evaporazione dei microstrati in singole bolle durante l'ebollizione a flusso dell'acqua.4 Più recentemente, Che et al. termoriflettenza combinata nel dominio del tempo e analisi numerica per studiare l'evaporazione di un film liquido di ottano31. Riportano la variazione del coefficiente di scambio termico complessivo lungo il menisco, ottenendo un valore massimo di 0,44 MW/\(\text {m}^2\)-K. Questo valore include la resistenza termica conduttiva del liquido. Perché Che et al. in media su un diametro dello spot laser di 10 μm, il loro profilo complessivo del coefficiente di trasferimento di calore non può risolvere valori inferiori a 2 μm dal bordo del menisco. Nonostante questi progressi, non è stato ottenuto sperimentalmente l’isolamento del coefficiente di scambio termico per evaporazione con risoluzione su microscala lungo l’intero menisco.