Desenvolvimento de plataforma autônoma para experimentação do fenômeno de ebulição em piscina

Abstract

A miniaturização de dispositivos eletrônicos gera um aumento na densidade do fluxo de calor dos mesmos, podendo causar a mudança do estado líquido para o estado de vapor dos fluidos de resfriamento em contato direto com estes dispositivos. Este fenômeno onde ocorre a evaporação em uma interface sólida-líquida e sem a indução do movimento do líquido é chamado de ebulição em piscina, apresentando valor muito alto para o coeficiente de transferência de calor (h) quando comparado à convecção monofásica. Um dos grandes desafios relacionados à ebulição está associado à sua complexidade fenomenológica, uma vez que envolve fases com estruturas não fixas que interagem e influenciam uma à outra. Assim, sendo, o propósito deste trabalho é contribuir para o entendimento do processo de ebulição de nanofluidos líquidos acrescidos de partículas sólidas de escala nanométrica através da construção de uma bancada autônoma para testes em condições de microgravidade. Para tanto, fizeram-se necessárias análises térmica, estrutural, elétrica e de automação por eletrônica embarcada. A plataforma torna possível uma investigação e quantificação da influência de parâmetros de maneira autônoma, sejam estes parâmetros a modificação da superfície aquecida e o uso de diferentes fluidos de trabalho utilizando-a em condições ambientais diferenciadas, como gravidade reduzida. Inicialmente, a bancada foi validada por dados da literatura utilizando água deionizada pura. Posteriormente, foi testada utilizando quatro diferentes concentrações de nanopartículas de óxido de alumínio (Al2O3) dispersas em água deionizada por vibrações ultrassônicas, sendo estas de 0,50 wt.%, 0,10 wt.%, 0,05 wt.% e 0,01 wt.%. Os resultados indicaram um aumento em h para as duas maiores concentrações, enquanto as duas menores não apresentaram modificação neste parâmetro. Os mesmos nanofluidos foram testados em diferentes períodos de repouso para verificar também a influência da deposição das nanopartículas na superfície de aquecimento. Nestes novos testes, a deposição das nanopartículas mostrou-se desfavorável em todas as concentrações para h. A bancada está, assim, autônoma e pronta para testes comparativos em diferentes condições de gravidade.

Abstract: The miniaturization of electronic devices increases the heat flux density dissipated, which may vaporize the liquid coolant in direct contact with these devices. This phenomenon where evaporation occurs in a solid-liquid interface, without the induction of liquid movement, is called pool boiling, and presents a high value for the heat transfer coefficient (h) when compared to single-phase convection. The difficulty when dealing with boiling is its phenomenological complexity, since it involves phases with non-fixed structures that interact and influence one another. Therefore, the purpose of this work is to contribute to the understanding pool boiling of nanofluids liquids containing nano-scale particles through the construction of an autonomous experimental setup for microgravity conditions. In order to do so, thermal, structural, electrical and automation analyses were required for embedded electronics. The platform allows the investigation and quantification of the influence of parameters in an autonomous way, such as the modification of the heated surface and the use of different working fluids under reduced gravity conditions. The experimental platform was validated with literature data using pure deionized water. Subsequently, it was tested using four different concentrations of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles dispersed in deionized water by ultrasonic vibrations, which were 0,50 wt.%, 0,10 wt.%, 0,05 wt.% and 0,01 wt.%. The results indicated an increase in h for the two highest concentrations, while the two smaller ones showed no change in this parameter. The same nanofluids were tested at different resting periods to also verify the influence of nanoparticle deposition on the heating surface. In these new tests, the deposition of the nanoparticles showed to be unfavorable for all concentrations. The experimental setup is thus autonomous and ready for comparative testing under different gravity conditions.