CONVECÇÃO FORÇADA

O processo de convecção é um mecanismo de transferência de calor através de um

fluido, na presença de movimento da massa do fluido.

A convecção pode ser: convecção natural (ou livre) e convecção forçada,

dependendo de como o movimento do fluido é iniciado.

Forçada Natural

Externo Interno

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Forças de flutuação causadas por diferença de densidade, devido à variação da temperatura do fluido

Forçada por meios externos: ventilador, bomba ou vento

Convecção com mudança de fase: movimento induzido pelas bolhas ou gotículas de líquido.

Convecção monofásica: líquido ou gás

Há uma variedade de técnicas de resfriamento por convecção forçada:

- Fluxo de ar direto, ou outros refrigerantes, sobre componentes a resfriar da PCI

- Placas frias resfria os componentes indiretamente com escoamento de líquido

- Tubos de calor com fluxo direto de um fluido refrigerante que opera com a

mudança de fase (vaporização e condensação)

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• h é coeficiente local de transferência de calor por convecção, ou

é o coeficiente médio de TC, para toda a superfície, em W/m²K

• é a temperatura do fluido não afetada pelo calor transferido a

partir do sólido. Em problemas de encapsulamento eletrônico, no

entanto, esta suposição pode não ser verdade em todos os

momentos

h

T

- fina camada de fluido (camada limite)

onde os gradientes de velocidade e

as tensões cisalhantes são grandes

- uma região exterior à camada limite

onde estes são desprezíveis.

Tsup y=0 u=0 Tf=Tsup

y=0,99 u=u∞

Tf=T∞

Escoamento externo: Escoamento forçado de fluido sobre uma superfície

)TT(hAq supsup

geometria,V,TT,k,c,,fh sp

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- Para um fluido remover o calor de uma superfície, o calor primeiro é conduzido

através da película de fluido próxima à superfície e depois transferido através da

massa de fluido que escoa.

- Portanto, a transferência de calor por convecção depende não somente de quão

rápido o fluido escoa, mas também sobre a forma como ele conduz o calor perto da

superfície.

- Estes processos combinados (condução na película de fluido + convecção) são

relacionados através do número de Nusselt, Nu.

k

hLNu

h é coeficiente local de transferência de calor por convecção ou médio, W/m²K

L comprimento característico, m

k condutividade térmica do fluido, em W/mK

Nu permite comparar vários fluidos sob vários regimes de escoamento e verificar a

capacidade dos mesmos de remover o calor de uma superfície

COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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Para identificar o regime de escoamento em convecção forçada externa (placas,

superfícies curvas, etc.) ou interna (canais, dutos, tubos, etc.) se utiliza o número

adimensional de Reynolds, Re

-u é a velocidade da corrente de fluido (escoamento

externo) e velocidade média (interno)

- é a massa específica do fluido

- L é o comprimento característico

- é a viscosidade do fluido

Escoamento sobre placa:

Re<= 5 x 105 Laminar Re > 5 x 105 turbulento

LuRe

REGIME DE ESCOAMENTO DO FLUIDO

5cc 10x5

xuRe

k

cPrNº de Prandlt - Pr

Pr)(Re,fk

LhNu

Nº de Nusselt - Nu

Correlações para Nu_médio

Laminar: local

médio

Turbulento: local

médio

3/12/1xx PrRe664,0uN

3/15/4xx Pr)871Re037,0(uN

3/12/1xx PrRe332,0Nu

315402960 //xx PrRe,Nu

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Correlações empíricas

para o Nu médio para

convecção forçada

sobre placas planas e

cilindros circulares e

não circulares em

escoamento cruzado

Escoamento externo

Escoamento interno:

comprimento característico é Dh de diferentes geometrias

Circular

Retangular

Elipse

Triangular

Para Re > 2300 é possível a utilização

das correlações para tubos circulares

DiDh

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Condição de fluxo de calor constante na superfície

o h permanece constante e as temperaturas da

superfície, Ts, e do fluido, T∞ aumentam

linearmente, mas a diferença entre elas permanece

constante.

Quanto maior h, menor Ts dos componentes

eletrônicos.

Se a temperatura de saída do fluido, Tsai, for

conhecida, a máxima Ts é

hAs

qTTsT sup_aumento

hAs

qTT saimax,s

Verificar se esta temperatura está dentro da faixa segura, ou usar um ventilador

maior para aumentar a vazão de fluido

xcm

Pqe,Tm)x(Tm

p

"

Condição de fluxo de calor constante na superfície

Temperatura média do fluido ao longo do escoamento

Condição de temperatura de superfície constante

PL"qq

))x(Tm)x(Ts(h"q

h

cm

Pxexp

e,TmTs

)x(TmTs

p

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D

kNuh

h é coeficiente local de transferência de calor por convecção:

Relações ou correlações para determinar o

número de Nu como função de Re e Pr,

baseadas em dados experimentais

Escoamento interno

Re<2300 – Laminar

2300<Re<5 x 106

fator de atrito

Re>10.000 turbulento

Nu para escoamento laminar

plenamente desenvolvido em tubos

circulares e canais retangulares

4,08,0 PrRe023,0Nu

)1(Pr8/f7,121

Pr)1000)(Re8/f(Nu

3/2

2)64,1ln(Re)79,0(f

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No resfriamento por fluxo direto deve-se considerar antes de selecionar um

ventilador ou uma bomba:

a perda de pressão, perdas, caminhos de escoamento do fluido, espaçamento entre

os componentes e distribuição, e também os efeitos da altitude para o caso do ar.

Quando a TC para a superfície externa do

equipamento eletrônico é desprezível (perda) a taxa

de calor absorvida pelo ar interno torna-se igual a

rejeitada (ou potência dissipada) pelos componentes.

arar_abs )TentraTsai(cpmTcpmq

ar_abseletrica qW

• Em projetos considerar o ∆Tar de 10°C e a Tmax_sai_ar de 70°C.

• Um sistema de resfriamento a ar forçado bem projetado, a temperatura

máxima na superfície do componente deve ser menor que 100°C.

Ar é fornecido para o equipamento eletrônico por um ou mais ventiladores

- Taxa de massa de ar e a altitude

O volume de ar para um ventilador com velocidade fixa é constante, mas a taxa de

massa de ar será menor em altas altitudes, pois a densidade é menor.

Ex: a 6000 m o ventilador entregará metade da massa de ar para mesma

temperatura e velocidade de rotação, portanto a temperatura do ar de resfriamento

aumentará, criando problemas de confiabilidade e falhas dos equipamentos

eletrônicos.

Poderia-se usar ventiladores com velocidade variável, que se ajustam a esta

situação

- Contaminantes

Fiapos, poeira, umidade e até mesmo óleo podem se acumular nos componentes e

nas passagens estreitas, causando um sobreaquecimento.

A poeira acumulada funciona como uma camada de isolamento que torna muito

difícil para o calor gerado ser dissipado. Usar filtros de ar.

m

SELEÇÃO DO VENTILADOR

Ventilador na entrada ou o na saída?

Preferencialmente na entrada, pois:

- aspira o ar e pressuriza a caixa, impedindo a

infiltração de ar na caixa através de aberturas, e

instalando o filtro também na entrada mantém

limpo.

- O ventilador opera com o ar mais frio e , portanto,

mais denso, o que resulta em uma taxa de massa

mais elevada para a mesma vazão e rotação.

- A desvantagem é que o calor gerado pelo

ventilador e o seu motor aumenta a carga de calor

do sistema.

O ventilador na saída cria pressão negativa dentro da

caixa que aspira o ar exterior para dentro da caixa

através de aberturas de entrada, sendo difícil de filtrar

e a poeira pode prejudicar a confiabilidade do sistema

Tipos de ventiladores para refrigeração de equipamentos eletrônicos

Principais considerações na seleção:

- Perda de carga do sistema (resistência total que o sistema eletrônico

oferece para a passagem de ar)

- Vazão de ar

Ventiladores Axiais: simples, pequenos, leves e baratos e entregam

uma grande vazão de ar. Adequado para sistemas com pequenas

perdas de carga. Trabalham a velocidades mais altas e apresentam

ruído.

Ventiladores centrífugos: entregam

vazões de ar moderadas com alta pressão

estática e baixas velocidades. São maiores,

mais pesados, mais complexos e caros

que os axiais.

Curva de desempenho:

EXEMPLO – CONVECÇÃO EXTERNA

Ar forçado a 25 ºC e 10 m/s é usado para resfriar componentes eletrônicos montados sobre

uma placa de CI. Considere um chip com 4 mm de comprimento e 4 mm de largura, localizado

a 120 mm da aresta frontal. Com a superfície da placa é irregular, o escoamento é perturbado e

a correlação da convecção apropriada possui a forma:

Estime a temperatura da superfície do chip, Ts, se a sua taxa de dissipação de calor for 30 mW.

33,085,0xx PrRe04,0Nu

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No resfriamento indireto (placa fria) - o calor é transferido para um

líquido de resfriamento através de um dissipador de calor e a

passagem de fluxo é atrás da PCI.

Requer cálculos de vazão de líquido para evitar redução na pressão,

bem como o vazamento do refrigerante

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Tubos de calor

São dispositivos para troca de calor altamente eficientes

São concebidos para transferir o calor a partir de um ponto quente para um local

onde pode ser facilmente removido e funciona melhor quando o calor é

concentrado.

Aplicações

Controle térmico de componentes eletrônicos e aplicações em diversas áreas

tecnológicas como na indústria eletrônica (notebooks e refrigeração de placa mãe e

chipsets) e na indústria espacial (satélites).

Operam em um ciclo bifásico (vaporização e condensação) fechado e utilizam calor latente

de vaporização para transferir calor a partir de pequenas diferenças de temperatura.

Tubo metálico revestido internamente por um meio poroso, encharcado com o fluido de

trabalho

São compostos por três regiões distintas: evaporador, região adiabática e condensador.

Região do evaporador: calor é fornecido ao tubo, vaporizando o fluido. O vapor gerado se desloca, devido a diferenças de pressão, para regiões mais frias do tubo, o condensador, onde o calor transportado é rejeitado.Região do condensador: ocorre a rejeição de calor e o vapor condensa. O líquido é transportando de volta ao evaporador, fechando o ciclo. O retorno se dá por efeito capilar resultante do escoamento do líquido pelo meio poroso.Região adiabática: pode apresentar dimensão variável, ou ser inexistente em alguns casos, e está localizada entre o evaporador e o condensador, sendo isolada do meio externo.

Fluido de trabalho

O principal critério para seleção do fluido de trabalho é a sua temperatura de ebulição

(saturação – mudança de fase), que deve ser compatível com a temperatura de operação,

podendo variar de temperaturas criogênicas (5 a 100K) até níveis bastante altos (acima de

1000K).

Devem ser avaliadas também as propriedades termofísicas, propriedades como molhabilidade

do fluido e a tensão superficial.

EXEMPLO – CONVECÇÃO INTERNA

Um procedimento usual para resfriamento de um CI (chip) para computador de alto

desempenho envolve a fixação do chip a um sumidouro de calor no interior do qual são

usinados microcanais circulares. Durante a operação, o chip produz um fluxo térmico uniforme

q”c na sua interface com o sumidouro de calor, quadrado enquanto um refrigerante líquido

(água) é passado pelos canais. Considere um chip e um sumidouro de calor, ambos com LxL de

lados, e com microcanais com diâmetro D e passo S=C1D, sendo C1 maior do que a unidade.

Água é fornecida a uma temperatura de entrada de Tm,i e a uma vazão mássica total m (para

todo o sumidouro de calor).

a)Admitindo que q”c se disperse ao longo do

sumidouro de calor de tal modo que um fluxo

de calor uniforme q”s seja mantido na

superfície de cada canal, obtenha expressões

para as distribuições longitudinal das

temperaturas médias do fluido Tm(x), e

superficial Ts(x), em cada canal. Em cada

canal , considere escoamento laminar

plenamente desenvolvido ao longo de toda a

extensão e expresse os seus resultados em

termos de m, q”c, C1, D e/ou L, assim como

das propriedades.

b) Para L=12mm, D=1mm, C1=2, q”c=20 W/cm²,

m=0,01kg/s e Tm,i=290K calcule e represente

graficamente as distribuições de temperaturas

Tm(x) e Ts(x).