Flat plate pulsating heat pipes: new fabrication technologies, experiments and modeling

Abstract

O presente trabalho visa analisar teórica e experimentalmente o desempenho térmico de tubos de calor pulsantes de placa plana, fabricados em cobre, empregando-se um método não convencional para fabricação destes dispositivos: soldagem por união por difusão. Para o processo de fabricação foi empregado um forno especial, disponível no Labtucal, que proporciona ambiente de alta temperatura, alto vácuo e alta pressão, que permite a fabricação de peças monolíticas de alta confiabilidade. Os tubos de calor pulsantes foram fabricados em placa de igual tamanho externo. Visando melhorar o desempenho térmico destes dispositivos, os canais internos foram modificados, com o controle da rugosidade das superfícies internas, a adição de ranhuras nas laterais dos canais no evaporador e o aumento da densidade dos canais. Tubos de calor pulsantes com diferentes alterações foram testados sob diferentes cargas térmicas, inclinações e razões de enchimento. Como resultado deste trabalho experimental, pode-se concluir que tanto o aumento da rugosidade quanto as ranhuras laterais no evaporador melhoram o comportamento térmico dos dispositivos. A melhoria se dá especialmente pela diminuição do tempo de início de operação, pela redução da resistência térmica e pelo aumento da estabilidade térmica do dispositivo. Apesar disso, os parâmetros mais relevantes, que permitem uma maior independência da ação da gravidade, são o número de canais (quanto maior o número, menor a dependência) e da razão de enchimento do fluido de trabalho. Foi proposto um modelo matemático baseado na analogia entre circuitos térmicos e elétricos, que usa correlações da literatura (especialmente para fluxo com mudança de fase em mini-canais) para determinar os coeficientes de transferência de calor necessários à obtenção de diversas das resistências térmicas e da energia mínima de ativação. O modelo foi validado com os dados dos diferentes protótipos testados neste trabalho. O modelo pode ser usado como uma ferramenta de projeto, com um erro de 25-30%, tanto para a posição vertical quanto para a posição vertical invertida. As principais contribuições desta tese abrangem o desenvolvimento de tubos de calor pulsantes modificados (superfícies e geometria) por meio de processos de baixa complexidade, a produção do processo de fabricação de dispositivos confiáveis compatíveis com os aprimoramentos térmicos propostos, além de um modelo proposto que serve como uma ferramenta de projeto para tubos de calor pulsantes de placa plana. Alguns desses resultados têm sido publicados em revistas especializadas.

Abstract: In the present work, theoretical and experimental analysis of the thermal performance of flat plate pulsating heat pipes, made of copper, are presented. The pulsating heat pipes were manufactured using an innovative fabrication process for this application, the diffusion bonding. For this purpose, a special oven was used, available in Labtucal, that provides high temperature, high pressure and high vacuum conditions, which allows the fabrication of monolithic pieces with high reliability. Plates of equal external size were used, in which the internal channels were modified. Different geometries were applied, including the variation of the number of channels for the same overall dimensions (density increase), modifications of the surface finishing (roughness) and addition of lateral grooves at evaporator section. Flat plate pulsating heat pipes were tested under different operating conditions, such as tilt angles, heat input levels, and filling ratios, concluding that higher roughness or grooves at evaporator zone enhance the thermal performance of the devices, as start-up time, thermal resistance and thermal stability. However, the most relevant parameters, to decrease the dependence of the gravity in the operation of the pulsating heat pipe, are the number of channels and the working fluid filling ratios. A mathematical model, based on electrical circuit analogy, is constructed, taking into consideration the activation energy. Model validation was made with the experimental date obtained from the devices developed in this thesis. The model presented a maximum error of 25-30%, at vertical bottom heat mode and vertical top heat mode. The main contributions of this Ph.D. thesis are: the development of modified pulsating heat pipes using effective thermal improvements; the production of a reliable fabrication process compatible with the proposed thermal enhancements and, finally, a model that can be used as a design tool for pulsating heat pipes fabricated from machined plates. Some of these results have been published in specialized journals