Desenvolvimento de um termossifão bifásico em circuito para o controle térmico de conversores de frequência de média tensão

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo teórico-experimental de um termossifão bifásico em circuito composto por um evaporador de placas planas, no qual ambas as faces são sujeitas a aquecimento, e um condensador composto por 52 tubos aletados distribuídos em uma matriz de feixe de tubos alternados. O dispositivo foi projetado com o objetivo de resfriar passivamente um conjunto de componentes elétricos de média potência, sendo capaz de absorver até 20 kW. Um protótipo foi construído e testado. A metodologia experimental é composta por 3 blocos de testes, sendo que o primeiro deles visa definir a razão de enchimento de fluido de trabalho no interior do evaporador que garanta a melhor molhabilidade das paredes e consequentemente, menor resistência térmica total. O segundo bloco de testes é composto por 4 testes planejados segundo um teste fatorial de 2 fatores, que são a temperatura de entrada e vazão do ar no condensador, em dois níveis diferentes, alto e baixo, a fim de se analisar a influência das mesmas na variável de resposta, ou seja, a temperatura média da superfície aquecida. O terceiro e último bloco de testes é composto por 6 testes, planejados a fim de se avaliar a influência da razão da área de aquecimento e da posição do aquecedor na variável de resposta, que é a temperatura média da superfície aquecida. Nos três blocos, diversos patamares de potência foram testados. Concluiu-se que a melhor razão de enchimento foi de 75%, utilizando água como fluido de trabalho. O fator temperatura de entrada do ar tem maior influência do que o fator vazão de ar na variável de resposta. Também observou-se que a proximidade do bloco aquecedor da saída de vapor do evaporador facilita o início do ciclo bifásico. Para o patamar de 1kW, o tempo de startup caiu pela metade, de 400s para 200s, comparando-se testes nos quais a razão de área era a mesma, e mudando-se apenas a posição do aquecedor. Ao comparar outros testes, também com mesma razão de área, nota-se que o teste no qual os blocos aquecedores se localizam parcialmente fora da piscina de liquido apresenta menor resistência térmica total, explicada pelo maior poder de convecção do filme de líquido quando comparado à piscina. Percebe-se que o tempo de startup é menor para testes onde apenas um bloco aquecedor é acionado, porém este apresenta um maior pico de temperatura na inicialização, o que pode ser preocupante em potências altas e equipamentos sensíveis a grandes variações de temperatura. Um modelo teórico foi desenvolvido pare estimar a resistência térmica e a temperatura da fonte quente 6 As diferenças entre os modelos teóricos e os resultados experimentais coletados do protótipo varaiaram entre 3,8% e 41%.

Abstract: This work presents theoretical andexperimental studiesona two-phase loop thermosyphon composed of a flat plate evaporator, where both sides are subjected to heating, and a condenser composed of 52 finned tubes distributed in a matrix of alternating tubes. The device was designed tocool passively a set of electrical componentsup to 20 kW. A prototype was builkt and tested. The experimental methodology consists of 3 test blocks. The first one aims to define the best working fluid filling ratio inside the evaporator, which guarantees the best wettability of the walls and, consequently, the lower total thermal resistance. The second test block consists of 4 tests planned according to a 2- factor factorial test: inlet temperature and air flow in the condenser, at two different levels, low and high, in order to analyze their influence on the response variable, which is the average temperature of the heated surface. The third test block is composed of 6 tests designed in order to assess the influence of the heating area ratio and the heater position on the response variable. In the three test blocks, several power levels were applied. It was concluded that the best filling ratio was 75%, using water as the working fluid. It was also observedthat the inlet air temperature has largerinfluence onthe response variable than the air flow. Finally, it was observedthat the proximity of the heater block to the evaporator steam outlet facilitates the startup of the two-phase cycle. For the 1kW power level, the startup time fell by half, from 400s to 200s, when comparing the tests where the area ratio was the same, but with other heater positions. When comparing tests that have the same heating area ratio, it is noticed that the test where the blocks are located partially outside the liquid pool presentedlower total thermal resistance, which can be explained by the more intenseconvection of the liquid film when compared to the pool. However, it presenteda higher temperature peak at startup, which can pose problemswithhigh power equipment that are sensitive to large temperature variations. A theoretical model was developed to predict the device?s total thermal resistance and the heat source temperature. The differences between theory and model ranged from 3.8% and 41%.