Investigação experimental da transferência de calor de superfícies estendidas aquecidas para sprays de fluido refrigerante

Abstract

Com o aumento da miniaturização dos componentes eletrônicos, gerou-se a necessidade do projeto de sistemas de dissipação de calor mais eficientes, compactos, silenciosos e com capacidade de remoção de altos fluxos de calor. A tecnologia de resfriamento por spray vem sendo vista como uma possível solução para o preenchimento desta lacuna, especialmente quando acoplada a sistemas de refrigeração compactos. O enorme potencial desta nova tecnologia é refletido no grande aumento do número de publicações na área de resfriamento por spray nos últimos anos; porém existe ainda a escassez de estudos de spray cooling empregando fluidos refrigerantes como fluidos de operação. Este trabalho tem por objetivo analisar experimentalmente o fenômeno de resfriamento de superfícies estendidas de cobre por spray de fluido refrigerante. Uma bancada experimental foi construída para a análise do desempenho da transferência de calor em três superfícies: superfície plana, superfície com espuma metálica e superfície aletada com canais radiais. O comportamento do coeficiente de transferência de calor por convecção foi analisado em função da vazão mássica de fluido refrigerante e pressão na qual o spray era exposto. As seguintes condições de testes foram realizadas: pressão interna da câmara de testes de 5 e 6 bar, vazão mássica de fluido refrigerante de 3 e 5 quilogramas por hora, distância entre o bico injetor e a base das superfícies de 17 mm, grau de sub-resfriamento do fluido de 5ºC e fluxo de calor dissipado na superfície de teste de 0 a 40 W/cm2. Os resultados apontam que o aumento da vazão mássica do fluido refrigerante resulta em maiores coeficientes de transferência de calor, enquanto que a eficiência do spray é reduzida. O aumento da pressão na qual o fluido é exposto intensifica a transferência de calor entre a superfície e o fluido, aumentando também a eficiência do spray. O melhor desempenho de transferência de calor foi obtido utilizando-se a superfície com acoplamento de espuma metálica sobre a superfície. O fluxo de calor crítico não sofreu efeito da variação da geometria da superfície. Este estudo contribuiu para a melhor compreensão do fenômeno de resfriamento por spray em superfícies estendidas.

The increasing of electronic components miniaturization has generated the need for more efficient, compact and quiet heat sinks designs, capable of removing high heat fluxes. The Spray Cooling technology is being seen as a possible solution to fill this gap, especially when attached to compact refrigeration systems. The huge potential of this new technology is reflected on the large increase of the number of publications in the Spray Cooling area in the last few years; but there is still a lack of studies of spray cooling using refrigerants as working fluid. The main objective of this research is the experimental analysis of the Spray Cooling phenomena in enhanced cooper surfaces, using refrigerant. A testing bench was built to investigate the performance of heat transfer in three different surfaces: flat surface, surface with a copper-foam metal cover and finned surfaces with radial channels. The behavior of the heat transfer coefficient was analyzed as a function of the refrigerant mass flow and the pressure at which the spray was exposed. The tests condition were: internal pressure of the testing chamber of 5 and 6 bar, refrigerant mass flow of 3 and 5 kilograms per hour, distance between the nozzle and the base of the testing surface of 17 millimeters, sub-cooling degree of 5ºC and heat flux from 0 to 40 W/cm2. The results show that the increasing of the refrigerant mass flow results in higher heat transfer coefficient, while the boiling efficiency is reduced. The increase of the pressure which the fluid is exposed to enhanced the heat transfer between the fluid and the surface, increasing the boiling efficiency as well. The best performance of heat transfer was achieved in the surface with metal foam cover. The critical heat flux was not sensible to the surface geometry. This research contributed to a better understanding of spray cooling phenomena in extended surfaces.