Superfícies microaletadas resfriadas por sprays em um ciclo de refrigeração compacto: fabricação e avaliação experimental do desempenho térmico

Abstract

Nas últimas décadas, o grande crescimento da energia dissipada por componentes ele-trônicos e da miniaturização de sistemas eletrônicos têm resultado em altos fluxos de calor que necessitam ser removidos. O controle térmico apropriado contribui para o funcionamento se-guro e aumento da vida útil de sistemas eletrônicos e seus componentes. Técnicas de resfria-mento que se baseiam em mudança de fase como jatos, sprays e ebulição convectiva são apro-priadas para a remoção de altos fluxos de calor e, quando associadas a um sistema de refrige-ração, aliam a remoção de altos fluxos de calor com a transferência de calor a uma temperatura menor que a temperatura ambiente. Para intensificar a eficiência da transferência de calor, pode-se empregar modificações na superfície a ser resfriada. Modificações como superfícies estrutu-radas, porosas e revestimento químico podem contribuir para aumentar a molhabilidade, au-mentar o número de sítios de nucleação e aumentar a área de troca de calor, contribuindo, jun-tamente com a mudança de fase, para elevar os valores de fluxo de calor que devem ser remo-vidos. Nesse sentido, esta dissertação tem por objetivo avaliar a influência de superfícies mo-dificadas sobre a transferência de calor de um sistema de refrigeração utilizando spray cooling. A modificação realizada consiste em fabricar microaletas em uma superfície a qual é aquecida e incide um spray que é formado pela colisão de dois jatos oblíquos. A superfície aquecida fica localizada dentro de uma unidade de resfriamento que é integrado a um sistema de refrigeração compacto que opera com um compressor linear e utiliza R-134a como fluido refrigerante. Fo-ram fabricadas aletas com diferentes dimensões, e é avaliada a influência sobre a transferência de calor e sobre o desempenho termodinâmico do sistema de refrigeração. A interação do spray com as superfícies modificadas é observada com uma câmera de alta velocidade, possibilitando identificar os fenômenos que ocorrem no interior da unidade de resfriamento. A utilização de microaletas melhorou a distribuição do filme líquido, aumentou o fluxo de calor crítico em até 37,7 % e o coeficiente de transferência de calor máximo em até 3 vezes. A temperatura de superfície foi reduzida e a performance termodinâmica do sistema de refrigeração não foi afe-tada.

Abstract: In the last decades, the great increase in energy dissipation by electronics and the min-iaturization of electronic systems has resulted in high heat fluxes that need to be removed. Proper thermal management contributes to the safe operation and increases the lifespan of elec-tronic systems. Cooling techniques based on phase change such as jets, sprays and flow boiling are proper to remove high heat fluxes, and when associated with refrigeration systems, combine high heat flux removal and heat exchange at a temperature lower than the room temperature. In order to intensify the heat exchange, it is possible to apply surface modification on the surface to be cooled. Modifications such as structured surfaces, porous and chemical coating may in-crease wettability, number of nucleation sites and the heat transfer area, contributing, alongside with phase change, to enhance the values of heat flux that must be removed. In this context, this study pursues to evaluate the influence of modified surfaces on the heat transfer of a refrigera-tion system using spray cooling. The modification adopted herein consists of producing micro-fins on a heated surface that is cooled by a spray formed by two colliding jets. The heated surface is located inside a cooling unity integrated to a compact refrigeration system that works with a linear compressor and utilizes R-134a as refrigerant fluid. Fins with different dimensions were produced and its influence on the heat transfer and the refrigeration system thermody-namic performance is evaluated. The interaction between spray and modified surfaces is ob-served by a high-speed camera, being possible to identify the phenomena occurring inside the cooling unity. Applying microfins improved the liquid film distribution, increased the critical heat flux up to 37,7 % and the maximum heat transfer coefficient up to three times. The surface temperature was reduced and the thermodynamic performance of the refrigeration system was not affected.