Dispositívos de dissipação térmica fabricados por impressão 3D: exploração de geometrias caóticas

Abstract

A crescente demanda por veículos elétricos exige Sistemas de Gerenciamento Térmico de Baterias eficientes para dissipar o calor gerado internamente nas células, garantindo a segurança e o desempenho do conjunto dentro de uma faixa operacional aceitável. Este trabalho avaliou diferentes concepções de trocadores de calor para resfriamento de baterias cilíndricas e tecnologias de fabricação, utilizando água como fluido de trabalho. A primeira etapa investigou o desempenho hidrodinâmico de trocadores de calor fabricados em resina por manufatura aditiva LCD, empregando geometrias internas complexas do tipo gyroid em quatro escalas estruturais: 10, 20, 30 e 40 mm. Constatou-se experimentalmente que a perda de carga é inversamente proporcional à escala da célula unitária, apresentando um aumento não linear atrelado à variação da porosidade e ao aumento da resistência ao fluxo devido as mudanças de direção do fluido. Simulações numéricas evidenciaram que o modelo de turbulência k-ω apresentou excelente precisão para a menor escala (10 mm), enquanto o modelo k-ε foi superior para a previsão de perda de carga nas geometrias maiores. A segunda etapa avaliou a capacidade de dissipação térmica de um trocador de calor metálico, fabricado via cordões de solda MIG, submetido a níveis de potência de 350 W a 700 W. Os ensaios confirmaram o atendimento à Primeira Lei da Termodinâmica dentro das incertezas experimentais. O desenvolvimento de um modelo analítico segmentado, baseado no escoamento cruzado sobre bancos de cilindros, permitiu prever a temperatura superficial das resistências, apresentando um erro médio absoluto entre 7,9% e 9,3%. Conclui-se que ambas as configurações possuem viabilidade técnica para aplicações no setor automotivo, ressaltando que o ganho de eficiência térmica deve ser avaliado com o custo energético imposto pela resistência hidrodinâmica ao sistema de bombeamento.