Visualização do escoamento e transferência de calor em um evaporador de jatos incidentes integrado a um sistema de refrigeração compacto

Abstract

A crescente demanda por potência em componentes eletrônicos, associada aos requisitos de uma maior compactação desses sistemas, requer projetos térmicos cada vez mais sofisticados e que garantam funcionamento e confiabilidade. Técnicas de resfriamento que apresentam mudança de fase, como jatos e sprays bifásicos, permitem a remoção de elevados fluxos de calor, possibilitando uma maior compactação da unidade de resfriamento e, quando integrados a sistemas de refrigeração, proporcionam uma maior vida útil desses componentes e temperaturas de junção abaixo da temperatura ambiente. Nesse sentido, esta dissertação tem como principal objetivo avaliar experimentalmente a transferência de calor utilizando diferentes configurações de jatos bifásicos em uma unidade de resfriamento. Múltiplos jatos paralelos e oblíquos são avaliados. Os jatos paralelos são originados através da expansão de fluido refrigerante em múltiplos orifícios e incidem perpendicularmente sobre a superfície aquecida do evaporador. No caso de jatos oblíquos, cada jato é orientado para umúnico ponto no interior da câmera de resfriamento, colidindo e originando um spray de baixa pressão que, por sua vez, incide sobre a superfície aquecida. A unidade de resfriamento é integrada a um sistema de refrigeração miniaturizado que opera com um compressor linear compacto e utiliza R-134a como fluido refrigerante. O desempenho térmico do evaporador de jatos bifásicos e do sistema de refrigeração foram avaliados para diversas condições operacionais. Ademais, o comportamento das diferentes configurações de jatos foi observado com uma câmera de alta velocidade, auxiliando na compreensão de determinados aspectos do escoamento na unidade de resfriamento. Os experimentos foram conduzidos para configurações de jatos com 2 e 3 jatos colidentes e, 2 e 5 jatos paralelos, quantificando a influência dos parâmetros: carga térmica aplicada, diâmetro de orifícios, distância entre o bocal e a superfície aquecida (comprimento de jato), temperatura do reservatório quente e vazão mássica de fluido refrigerante. Para uma altura de câmara de 23,8 mm e uma temperatura do reservatório quente de 25 ºC, a configuração com 3 jatos colidentes sustentou uma carga térmica imposta de 285 W (44,8W/cm²), mantendo a temperatura da superfície abaixo de 46 ºC com uma vazão mássica de fluido refrigerante medida em aproximadamente 7,2 kg/h. A sequência de imagens obtida através da câmera de alta velocidade foi editada na forma de um único vídeo e está disponível em https://youtu.be/oH8qGZEy7Uc.

Abstract: The increasing demand for power in electronic components, associated with its continuous miniaturisation, requires increasingly sophisticated thermal design, guaranteeing reliability andoperation. Two-phase cooling schemes, such as sprays and impinging jets, present enhanced heat transfer characteristics, which allows a more compact cooling unit and, when integrated with a refrigeration system, it provides a longer life span and reduced junction temperature. Therefore, the main objective of this study is to experimentally investigate the performance of an innovative cooling strategy comprised by multiple jets that collide at a single point inside the cooling chamber, originating a low pressure spray that impinges on the heated surface. The cooling unit is integrated to a compact refrigeration system operating with a compact oil-freelinear compressor and R-134a as working fluid. The cooling unit and the refrigeration system thermal performances are evaluated for different operating conditions and compared to cooling strategies where the jets impinges perpendicularly to the heated surface. A high speed camera was used to observe the behaviour of the different cooling strategies, assisting the comprehension of certain flow features inside the cooling chamber. Experiments were conducted for 2 and 3 colliding jets and 2 and 5 parallel jets, quantifying the influence of the applied thermal load, orifices diameter, orifice to heated surface distance (chamber height), hot reservoir temperature and refrigerant mass flow rate. For a chamber height of 23.8 mm and a hot reservoir temperature of 25 ºC, the 3 colliding jets sustained a imposed thermal load of 285 W (44.8 W/cm²), maintaining the surface temperature below 46 ºC with a refrigerant mass flow rate of approximately 7.2 kg/h. The high-speed image sequences acquired for this work were edited as a single movie, which is available at https://youtu.be/oH8qGZEy7Uc.