Estudo teórico e experimental da aplicação de meios porosos cerâmicos em LHP e CPL

Abstract

O controle térmico na indústria eletrônica tem crescido em importância devido à contínua diminuição de tamanho e ao aumento na potência dos componentes. Nestas aplicações, buscam-se dispositivos eficientes de transferência de calor, capazes de transferir grandes cargas de calor com uma diferença mínima de temperatura. Neste contexto, os tubos de calor (Heat Pipes - HPs), os tubos de calor em forma de circuito (Loop Heat Pipes - LHPs) e as bombas capilares (Capillary Pumping Loops - CPLs) são alternativas confiáveis e viáveis para a dissipação de calor. Os evaporadores capilares da maioria dos LHPs e CPLs utilizam meios porosos feitos de metal ou de plástico. Neste trabalho, um meio poroso cerâmico é proposto para aplicações em LHPs e CPLs. O desempenho do meio poroso cerâmico como evaporador capilar é analisado teórica e experimentalmente. Primeiramente, é feita uma análise teórica de transferência de calor e de massa de um evaporador capilar plano com uma estrutura porosa formada por uma ou duas camadas com propriedades diferentes. O meio poroso tem formato de um disco e é instalado entre os canais de líquido e de vapor. Um fluxo de calor externo é aplicado à superfície superior da estrutura porosa onde ocorre a evaporação do fluido de trabalho. A transferência de calor e de massa é modelada usando as equações macroscópicas de conservação da energia e da massa. O fluido é assumido incompressível, prevalece o equilíbrio térmico local e a Lei de Darcy é usada para modelar o fluxo viscoso dentro do meio poroso. Os modelos desenvolvidos permitem verificar o efeito das variáveis de projeto no desempenho do evaporador capilar tais como fluidos de trabalho, dimensões, permeabilidade, raio médio de poros e condutividade térmica do meio poroso. Para as análises experimentais, testes de desempenho de dois LHPs, um utilizando acetona e o outro água como fluidos de trabalho, foram realizados para potências de até 25 W. Além disso, testes de desempenho de um CPL usando água foram realizados para potências de até 30 W. O meio poroso cerâmico utilizado possui 50% de porosidade, distribuição de raio de poro entre 1 e 3E-6 m e uma permeabilidade de 1,5 E-14 m2. Considerando uma temperatura de operação limite de 100 °C e regime permanente, os LHPs foram capazes de transferir até 15 W para água e 25 W para acetona, enquanto que o CPL foi capaz de transferir até 30 W. Apesar do bom desempenho dos sistemas de bombeamento capilar avaliados, observou-se que mais pesquisas ainda são necessárias, buscando otimizar as propriedades termofísicas do meio poroso cerâmico e melhorar o projeto dos LHPs e do CPL.