UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

DISSIPADOR DE CALOR DE COBRE REFRIGERADO COM

NITROGÊNIO LÍQUIDO

por

Gustavo Batista Ribeiro

João Farret Ferzola

Rodolfo da Silva Rodrigues

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, dezembro de 2009

i

Agradecimento Em primeiro lugar agradecemos aos professores Juan Carlos Sandoval Ortiz e Paulo Otto Beyer que disponibilizaram o seu tempo solucionando nossas dúvidas. Aos engenheiros Flávio e Giovani e aos técnicos Edgar e Rodrigo pela contribuição na montagem da bancada. Ao Laboratório de usinagem por disponibilizar os equipamentos necessários. Ao aluno de graduação da engenharia mecânica, Otávio Teixeira Pinto, pela enorme colaboração durante todo o desenvolvimento da bancada. Ao senhor Luiz Carlos Ribeiro pela colaboração com materiais utilizados. A Irmãos Galeazi ltda. pelo importante serviço prestado. Ao laboratório de Supercondutividade e Magnetismo no campus do Vale, em particular na pessoa do Sr. Reginaldo Barco. Ao Prof. Dr. Roberto Petry Homrich, do Departamento de Engenharia Elétrica.

ii

Resumo Este trabalho visa fazer um dispositivo com o propósito de retirar a máxima taxa de calor possível de um elemento resistivo semelhante a um processador eletrônico ou componente eletrônico dissipativo, em regime permanente. Para a montagem do dispositivo, emprega-se cobre, por ser um ótimo condutor, uma pasta térmica de alta condutividade, e um fluido capaz de maximizar o ∆T. A bancada é montada observando o posicionamento de um PT100 abaixo da resistência, suportada por um tijolo refratário. Os resultados obtidos, ao se ligar a resistência ao mesmo tempo em que se coloca o nitrogênio liquido, foi de 75,53 Ω, equivalente a 211,15 K. O fluxo obtido foi de 76,37 W. Enfim, o fluido mostrou-se muito eficiente na diminuição da temperatura da resistência, capaz de suportar fluxos térmicos maiores do que o gerado. O fluxo de calor dissipado pelo sistema criado ficou acima do esperado, tendo em vista que a resistência dissipa 50 W de potência. Isso se deve ao fato de o sistema, como um todo, não dissipa calor somente da resistência, afinal há perdas para o ar, para o próprio tijolo, etc. Para trabalhos futuros, a utilização do nitrogênio líquido antes mesmo da resistência ser ligada seria interessante, assim como utilizar diferentes tensões para a mesma. Palavras-chave: dissipador de calor, elemento resistivo, refrigeração de dispositivo eletrônico, PT100, nitrogênio líquido, fluxo de calor.

iii

Abstract This work goal is to make a heat exchange device intending to extract the maximum heat form the resistive element, which simulates a computer processor or any other similar electronic component, at steady state, with 50 Watts of power. To assemble this equipment, there were used copper, as for its great conductivity property, a high conductivity thermal grease, and a fluid with a large difference of temperature from the ambient. The test bench was built observing the positioning of the PT100 sensor below the resistance, held by a insulation brick. The results obtained, as the resistance was turned on at the same time as the liquid nitrogen was poured, was 75,53 Ω (Ohms), equivalent to 211,15 K (Kelvin). The heat flow obtained was 76,37 W (Watts). The fluid, as expected, had a very good performance on diminishing the temperature and the capability of absorbing more heat than the generated by the resistance. The heat flow that was dissipated by the created system was above the expected, although the resistance generates 50 W of potency. That’s because of the system, as a whole, absorbed from the ambient too. For future works , turning on the system before the pouring of nitrogen liquid would be interesting, also using different voltages. Keywords: heat exxchanger, resistive element, refrigeration of an electronic device, PT100, liquid nitrogen, heat flow.

iv

Sumário Agradecimento ....................................................................................................................................................... i

Resumo ................................................................................................................................................................. ii

Abstract ................................................................................................................................................................ iii

Lista de Símbolos ...................................................................................................................................................v

1 Introdução...................................................................................................................................................... 1

2 Revisão Bibliográfica ..................................................................................................................................... 2

2.1 Dissipador de Calor............................................................................................................................. 2

2.1.1 Dissipadores passivos........................................................................................................................ 2

2.1.2 Dissipadores ativos ........................................................................................................................... 3

2.1.3 Pasta térmica..................................................................................................................................... 3

2.2 Nitrogênio Líquido .............................................................................................................................. 3

2.2.1 Efeito Leidenfrost ............................................................................................................................. 4

2.2.2 Aplicações ........................................................................................................................................ 5

2.3 Termômetro de resistência de platina................................................................................................. 5

3 Fundamentação .............................................................................................................................................. 6

3.1 Cálculo do calor dissipado .................................................................................................................. 6

3.1.1 Considerações e simplificações do problema ..................................................................................... 6

3.1.2 Calor Latente .................................................................................................................................... 6

3.2 Obtenção da temperatura através de um PT100 ................................................................................ 6

3.3 Geração de calor.................................................................................................................................. 6

4 Técnicas Experimentais .................................................................................................................................. 8

4.1 Montagem do Protótipo ...................................................................................................................... 8

4.2 Montagem da Bancada........................................................................................................................ 8

4.3 Instrumentação ................................................................................................................................... 9

4.4 Tabela de Custos ................................................................................................................................10

4.5 Incertezas de medição ........................................................................................................................10

5 Validação......................................................................................................................................................11

6 Resultados.....................................................................................................................................................13

6.1 Dados Obtidos ....................................................................................................................................13

6.2 Modelagem .........................................................................................................................................14

7 Conclusão .....................................................................................................................................................16

Referências Bibliográficas ....................................................................................................................................17

v

Lista de Símbolos

Resistência na temperatura T [Ω] Resistência na temperatura T0 [Ω]

Temperatura [K] Temperatura de referência [K] Calor [J] Massa [kg]

Calor específico latente [kJ/kg] Taxa de calor [W] Vazão mássica [kg/s] Energia gerada [J]

Corrente elétrica [A] Resistência elétrica [Ω]

Taxa volumétrica de calor [W/m³] Volume [m³] Massa específica [kg/m³] Tempo [s]

1

1 Introdução

Atualmente, com o aumento da necessidade de computadores com capacidade de processamento cada vez maior e a redução dos espaços ocupados pelos mesmos, tem-se uma elevação considerável na geração de calor dos seus componentes. Em virtude disso, é observado um crescimento das empresas focadas em criar soluções para esse tipo de problema.

É de grande importância esse problema, pois para os componentes funcionarem adequadamente eles devem trabalhar abaixo de uma temperatura limite, com o risco de dano se ultrapassar esse limite ou até falha permanente.

Portanto, cada vez mais se percebe o emprego de dissipadores dos mais diferentes tipos e materiais nesses componentes. O exemplo mais explícito são os microprocessadores atuais, existem várias opções de refrigeração, como aletas, aletas com ventoinha, watercooler, chillers, LN2 e até mesmo LH2.

O trabalho a seguir faz uso de um sistema de refrigeração à base LN2, já utilizado anteriormente [6] em computadores para atingir a freqüência máxima possível do processador por meio de um overclock . A grande diferença entre este trabalho e os já realizados é que este faz uso de uma resistência como elemento gerador de calor ao invés de um microprocessador.

Tendo em vista isso, os objetivos deste trabalho são o de construir um sistema de dissipação de calor, para ser colocado em contado com a resistência, que consiga remover o máximo de calor possível e aplicar os conhecimentos adquiridos em aula.

2

2 Revisão Bibliográfica 2.1 Dissipador de Calor

Dissipador de calor é o nome dado a um objeto de metal sendo geralmente feito de cobre

ou alumínio, que pelo fenômeno da condução térmica e uma maior área por onde um fluxo térmico pode se difundir, maximiza o nível de dissipação térmica de qualquer superfície que gere calor. Sendo assim, dissipadores de calor têm o objetivo de garantir a integridade de equipamentos que podem se danificar com o calor gerado por seu funcionamento. Um dissipador de calor é usado, geralmente, se e somente se a fonte de calor possui uma elevada densidade de fluxo (grande fluxo de calor por unidade de área), sendo, por exemplo, componentes de hardware equipamentos que satisfazem essa condição, como processadores centrais de computadores e vídeo games, processadores gráficos, entre outros.

Aos dissipadores dotados de um ventilador acoplado em sua superfície, damos o nome de cooler, sendo esses, soluções ativas de refrigeração, enquanto que os dissipadores sem ventoinha são passivos nesse aspecto. 2.1.1 Dissipadores passivos

Os dissipadores passivos, como o mostrado na Figura 1, não são dotados de ventoinhas, por isso são extremamente dependentes do fluído refrigerante que está sendo utilizado. O fenômeno mais comum de transferência de calor nesses tipos de dissipadores, além da condução, é a convecção natural formada pela diferença de temperatura entre o ambiente e o dissipador. Os mesmos possuem vantagens como não gerar ruído e não consumir eletricidade, pois não necessitam de bombas ou ventoinhas para funcionar.

Figura 1 - Dissipador passivo de alumínio (Fluído: Ar)

Podem-se usar alguns fluídos refrigerantes, como: Nitrogênio Líquido, Hélio, etc., para

aumentar a transferência de calor.

3

2.1.2 Dissipadores ativos

Dissipadores ativos ou coolers como pode ser visto na Figura 2, têm uma capacidade de refrigeração muito melhor que o dissipador passivo, para o mesmo líquido refrigerante, já que combinando uma maior área de dissipação e uma corrente do fluído passando por essa área, é possível dispersar muito mais calor, por que além da condução, há o fenômeno da convecção térmica forçada, que ocorre quando o fluído passa pela superfície do dissipador. Tem seu uso destinado a componentes que geram grande quantidade de calor, como os processadores.

Figura 2 - Zalman CNPS9900 - dissipador ativo [9]

2.1.3 Pasta térmica

Entre a superfície de onde origina o calor e o dissipador, deve-se utilizar algum elemento que facilite a transferência de calor, dado que nenhuma das superfícies são perfeitamente planas, ocasionando assim pequenos pontos onde o contato entre as duas superfícies não ocorre, diminuindo assim a transferência de calor para o dissipador. A pasta térmica é utilizada com freqüência em componentes de hardware, assim como a fita térmica auto-colante. Estes recursos preenchem as micro fraturas existentes do processo de fabricação, tanto do cooler quanto dos shim (capa protetora do die), evitando qualquer espaçamento entre a superfície do chip e a superfície do dissipador de calor. 2.2 Nitrogênio Líquido

O Nitrogênio líquido, Figura 3, é produzido industrialmente em larga quantidade pela

destilação fracionada do ar líquido e é frequentemente designado pela abreviação, NL2 (LN2 em inglês), isto é nitrogênio puro.

Esse líquido refrigerante entra em ebulição a 77 kelvin, e é um fluido criogênico que pode causar rápido congelamento ao contato com tecido vivo. Quando apropriadamente isolado do calor externo, o nitrogênio líquido pode ser armazenado e transportado, por exemplo, em garrafas térmicas. Onde, temperaturas muito baixas são mantidas constantes a 77 K pela lenta evaporação do líquido, resultando na liberação do gás nitrogênio. Dependendo do tamanho e

4

projeto, o tempo de armazenamento em garrafas térmicas pode se estender de poucas horas a algumas semanas.

Figura 3 - Nitrogênio Líquido em ebulição.

O nitrogênio líquido pode ser facilmente convertido para sólido pela sua colocação em

uma câmera de vácuo acionada por um uma bomba de vácuo centrífuga. Ele congela a 63 kelvin. A despeito de sua reputação, a eficiência dele como um refrigerador é reduzido pelo fato que ele ferve imediatamente ao contato com um objeto aquecido, envolvendo o objeto em uma nuvem de gás nitrogênio isolante. Este efeito é conhecido como efeito Leidenfrost e se aplica a liquido em contato com um objeto significantemente mais quente que seu ponto de ebulição. Um resfriamento mais rápido pode ser obtido pela conexão de um objeto dentro de uma mistura de nitrogênio sólido e líquido do que no nitrogênio líquido somente. 2.2.1 Efeito Leidenfrost

Fenômeno observado quando 2 meios interagem a temperaturas extremamente diferentes criando uma camada de isolação entre os meios possibilitando que uma reação ou fenômeno físico venha a ocorrer de forma lenta e gradual ao invés de rápida e explosiva. Essa camada de isolante é formada por vapor/gás do fluído gerado pela grande diferença de temperatura.

Esse fenômeno pode ser visto esquematicamente na Figura 4.

Figura 4 - Efeito Leidenfrost em uma gota [4]

5

2.2.2 Aplicações

Criogenia, ou seja, a criopreservação de sangue, células reprodutivas (esperma e óvulos) e outros materiais e amostras biológicas. Preservação de humanos e animais de estimação na esperança de um reanimação no futuro;

Como uma fonte muito seca de nitrogênio gasoso; O congelamento por imersão e transporte de produtos alimentícios; Como um refrigerante suplementar para o overclocking de unidades centrais de

processamento e unidades de processamento gráfico, ou outro tipo de hardware; Crioterapia, para remover lesões malignas da pele incipientes ou potenciais tais como

verrugas; Refrigeração de um supercondutor de altas-temperaturas para uma temperatura suficiente

para obter a supercondutividade. 2.3 Termômetro de resistência de platina

Esse tipo de termômetro oferece excelente precisão sobre uma vasta gama de

temperaturas (de -200 a 850 °C). Estes sensores estão disponíveis com especificações de precisão e várias opções de embalagem para atender às mais diversas aplicações. Ao contrário de termopares, não é necessário o uso de cabos especiais para se conectar ao sensor.

O princípio de funcionamento é para medir a resistência de um elemento de platina. O tipo mais comum é o PT100, que tem uma resistência de 100 Ohms a 0 °C e 138,4 ohms a 100 °C. Existem também sensores PT1000 que têm uma resistência de 1000 Ohms a 0 °C.

O comportamento desses sensores pode ser indicado por alguma relação que leve em conta a não linearidade da variação da resistência elétrica em função da temperatura, como a equação polinomial que segue:

(1)

Para o caso do PT100 essa relação é dada pela equação que segue

(2)

Onde: Rt é a resistência à temperatura T, R0 é a resistência a 0 ° C, e A = 3,9083 E-3 B = -5,775 E-7 C = -4,183 E -12 (abaixo de 0 ° C), ou C = 0 (acima de 0 ° C) A Figura 5 mostra esse tipo de sensor esquematicamente.

Figura 5 - Esquema de um termoresistor de platina padrão [10]

6

3 Fundamentação

3.1 Cálculo do calor dissipado

3.1.1 Considerações e simplificações do problema

O problema em questão envolve uma grande complexidade no cálculo, pois envolve o fenômeno de ebulição no nitrogênio líquido, o que foi muito pouco estudado e a maioria dos materiais se encontram em artigos pagos. Foi feita uma pesquisa paras buscar fontes e informações sobre esse assunto, porém, pela dificuldade encontrada, optou-se por fazer algumas simplificações baseados nos conhecimentos adquiridos em transferência de calor e massa.

Portanto, essas considerações e simplificações são listadas abaixo: 1. As propriedades foram consideradas constantes; 2. O efeito Leidenfrost se dá só nos primeiros instantes do contato do nitrogênio com o

cobre, portanto não será considerado. Já que é para fins de regime permanente; 3. A medição do volume que sai de nitrogênio líquido se da em regime estacionário;

3.1.2 Calor Latente

Calor latente é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, passe do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. Durante a mudança de fase a temperatura da substância não varia, mas seu estado de agregação se modifica. O calor latente pode assumir tanto valores positivos quanto negativos. Se for positivo quer dizer que a substância está recebendo calor, se negativo ela está cedendo calor. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade é J/kg (Joule por quilograma). Outra unidade usual é caloria por grama (cal/g). O calor latente pode ser obtido pela multiplicação da massa da substância pelo seu calor específico latente, como se observa na equação 3.

(3)

Para calcular o calor específico latente de uma substância, basta dividir a quantidade de

calor Q que a substância precisa ganhar ou perder para mudar de fase pela massa m da mesma. Para obter-se o fluxo de calor, deve-se fazer a derivada em relação ao tempo nos dois

lados da equação 3, o que resulta na equação 4: (4)

3.2 Obtenção da temperatura através de um PT100

O termoresistor PT100 utilizado como sensor de temperatura, fornece um valor em ohms

[Ω], o qual, que com a utilização da equação (1) pode ser transformado em temperatura em ºC. 3.3 Geração de calor

Um processo comum de geração de energia térmica envolve a conversão de energia

elétrica em energia térmica em um meio que conduz corrente elétrica (aquecimento ôhmico, resistivo ou de Joule). A taxa na qual energia é gerada em função da passagem de uma corrente I através de um meio com resistência elétrica Re é:

7

(5)

Se esta geração de potência (W) ocorre uniformemente ao longo de todo meio com volume V, a taxa volumétrica de geração (W/m³) é, então,

(6)

8

4 Técnicas Experimentais 4.1 Montagem do Protótipo

Para a construção do dissipador e bancada ensaiados, foram utilizados alguns materiais de

baixo custo, porém, os mais importantes, são os melhores disponíveis no mercado. Sobre a resistência de papel de mica de 82x82x3mm foi colocada pasta térmica Arctic Silver Ceramique e, acima dela, foi assentado um copo de cobre. Esse “copo de cobre” é constituído por uma barra chata de 10x10 mm e 3/8 de espessura e um tubo de cobre de 80 mm de diâmetro e 3 mm de espessura, soldado na barra utilizando uma solda de prata. Ao redor desse tubo foi colocado uma manta isolante para evitar a dissipação de calor por essas superfícies com o meio. A manta foi fixada no tubo utilizando braçadeiras de nylon de 200 mm em série.

Figura 6 - Resistência após primeiro teste.

A Figura 6 mostra a resistência elétrica depois do primeiro teste realizado com esse

sistema. 4.2 Montagem da Bancada

Para a fabricação da bancada se fez uso de duas tábuas de madeira de bater carne de 15

mm de espessura como base e apoio superior, as quais foram usinadas para melhor acomodar os outros componentes e furadas para fixação. A fixação foi feita com o uso de 2 barras roscadas que foram cortadas em 4 partes de 330 mm, encaixadas nas tábuas de bater carne pelos furos e junto dessas foram utilizadas molas com o intuito de manter a pressão de fixação, já que o conjunto irá se comprimir devida a baixa temperatura. Sobre a base de madeira foi colocado um tijolo refratário de 50 mm de espessura, que foi rebaixado na sua superfície superior através de uma fresa com uma ferramenta cortante diamantada para acomodar melhor a resistência, onde foi adicionada uma extensão para facilitar a ligação à rede, e o sensor de temperatura. Esse sensor foi fixado na superfície inferior da resistência através de uma cola Epóxi e Silicone, além disso, o contato do sensor com a resistência foi garantido com o uso de uma pasta térmica de alta condutividade.

9

Na Figura 7 pode-se ver a bancada e o protótipo depois de montados.

Figura 7 - Bancada montada com o protótipo

4.3 Instrumentação

Os equipamentos utilizados na instrumentação são, alguns, do Laboratório de Estudos

Térmicos e Energéticos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e outros que foram adquiridos especialmente para o experimento, devido a sua singularidade.

Para obter-se a temperatura da superfície da resistência foi utilizado um termoresistor de platina, PT100, por sua faixa ampla de temperaturas, linearidade de resposta, alta precisão, resistência a vibrações, resposta rápida e grande estabilidade.

Para aquisição dos dados do PT100 foi utilizado um multímetro digital.

10

4.4 Tabela de Custos

Os gastos com o projeto são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 - Custos

Valor Cobre Barra Chata R$ 30,00

Tubo R$ 24,41 Pasta Térmica Artic Silver Ceramique R$ 26,32

Isolamento Manta Isolante R$ 12,60 Parafuso Barra Roscada R$ 9,04

Porcas R$ 0,71 Arruelas R$ 0,16 Molas Doação

Bancada Tábuas de churrasco R$ 9,82 Resistência Papel de mica 50W 110V R$ 22,50

Sensor PT100 - Termoresistor R$ 41,80 Base Tijolo Refratário R$ 2,30

Fixação Poxipol Doação Silicone Doação Braçadeiras Nylon R$ 8,50 Solda Prata Doação

Lixação Lixa G120 R$ 0,74 Lixa G280 R$ 0,57 Lixa G600 R$ 0,74 Lixa G1500 R$ 3,27

Refrigerante LN2 R$ 24,00 Total R$ 217,48

4.5 Incertezas de medição

As incertezas de medição dos equipamentos não foram consideradas, pois as incertezas

inerentes em todo o sistema testado podem ser consideradas bem mais significativas que as incertezas de operação dos equipamentos em questão.

11

5 Validação Para validar os resultados desse trabalho, foi feita uma pesquisa sobre aplicações

semelhantes desse tipo de dissipador de calor. Foram encontradas diversos trabalhos com a mesma configuração quanto à posição do sensor e do dissipador. Em especial, o trabalho [6] onde foi utilizado nitrogênio líquido para refrigerar um Intel Core i7 975 Extreme em overclock, Figura 8.

Apesar de o chip ser de dimensões menores, ele dissipa 140 W (em stock) em comparação aos 50 W que são dissipados no nosso caso.

Figura 8 - Overclock com LN2 em um Intel Core i7 [6]

A posição do sensor para essa aplicação é sempre abaixo do processador, já que o sensor

de temperatura do tipo diodo que existe na placa mãe se encontra nessa posição. Por isso, optou-se por essa posição também como forma de analogia, já que se a medição for realizada em cima haverá influência do dissipador e a temperatura será mais baixa do que na superfície do chip. Além disso, a temperatura mais alta do chip se encontra abaixo, pois esta posição está mais afastada do dissipador.

Outra parte da validação foi seguir um procedimento geral de ensaio, que consistia basicamente em operar o dissipador até que o sensor medisse uma temperatura próxima a de regime permanente. Para isso, se operou durante aproximadamente 50 minutos, percebeu-se que a variação da resistência do PT100 após 40 minutos se tornou insignificante, ao ponto de estabilizar por alguns minutos.

12

A Figura 9 aponta esse momento.

Figura 9 - Mínima resistência atingida no PT100 após 45 minutos.

13

6 Resultados

6.1 Dados Obtidos

Primeiramente, foi ligada na rede a resistência sem nenhum tipo de dissipador e após

alguns minutos a superfície inferior da resistência atingiu a casa dos 140 ºC. Nos primeiros testes realizados com o sistema construído foi obtida uma temperatura, em

regime permanente, de -62 ºC, para aproximadamente 50 minutos e utilizando aproximadamente 4 litros de nitrogênio líquido.

Gráfico 1 - Temperatura x Tempo

Ao se analisar o Gráfico 1 observar-se a tendência da curva em se estabilizar, ou seja,

estava muito próximo do regime estacionário. Por esse motivo se fez a escolha da temperatura -62 ºC (211,15 K) nos cálculos. A Figura 10 é referente ao primeiro teste realizado com esse sistema.

Figura 10 - Nitrogênio líquido sendo usado

14

Na Tabela 2, encontram-se os valores de tempo, resistência e temperatura, respectivamente.

Tabela 2 - Dados obtidos experimentalmente Tempo

[HH:MM:SS] Resistência [Ω] Temperatura [K] 13:04:42 109,73 298,15 13:20:16 89,50 246,39 13:20:36 89,10 245,37 13:21:18 88,40 243,60 13:29:40 83,20 230,44 13:38:56 80,60 223,89 13:41:40 80,00 222,38 13:50:40 78,60 218,85 13:56:58 77,90 217,09 14:00:40 77,50 216,09 14:06:12 77,30 215,60 14:07:12 77,20 215,34 14:08:40 76,90 214,60 14:12:54 76,60 213,83 14:15:50 76,40 213,33 14:18:04 76,30 213,08 14:26:02 75,53 211,15

6.2 Modelagem

Para o cálculo do fluxo, empregou-se uma forma mais direta de solução que não depende

das limitações de isolamento e condutividades do material. Simplesmente se esperou o sistema entrar em regime estacionário e se mediu qual o volume de nitrogênio líquido foi usado durante certo período de tempo. Na Tabela 3 são encontradas algumas propriedades do nitrogênio líquido e alguns dados medidos durante o regime estacionário no primeiro teste, que são usados no calculo do calor dissipado.

Tabela 3 - Propriedades Nitrogênio Líquido [8] Valores

Calor Latente de Vaporização [kJ/kg] 198,38 Massa específica [kg/m³] 808,607

Volume [m³] 0,000285 Tempo [s] 600

Aplicou-se a Equação 4,

15

Esse resultado esta acima do valor esperado, já que a resistência gera 50 W, e no regime permanente, quando não há mais variação de temperatura na resistência, esse deveria ser o valor máximo dissipado por um sistema de refrigeração. Essa discrepância acontece por que, apesar dos isolamentos empregados, o nitrogênio líquido também esta dissipando calor do ar, do tijolo refratário, da bancada, entre outras coisas próximas ao protótipo.

16

7 Conclusão

De acordo com os resultados obtidos experimentalmente, a escolha do sensor e o seu posicionamento mostraram-se satisfatórias, assim como os materiais utilizados para o isolamento. Já que a temperatura obtida na resistência ligada sem nenhum dissipador fica, após alguns minutos, em torno de 140 ºC.

O material empregado na solda da união do tubo com a barra chata, ambos de cobre, foi a prata. E essa escolha se mostrou correta, pois não apresentou problema na junta, mesmo com a grande variação de temperatura. O cobre foi selecionado para a confecção do copo, pelo fato de sua propriedade de condução de calor ser uma das melhores em comparação com outros metais.

Para um melhor contato do sensor com a resistência, além da pasta térmica, foram usadas molas para manter a compressão do conjunto mesmo frente a variação de temperatura. Em virtude disso foi possível maximizar a transferência de calor.

O fluido refrigerante utilizado é um dos melhores para esse tipo de aplicação, só sendo superado pelo hélio líquido, que é muito mais difícil de ser encontrado e manejado.

Em comparação com situações similares encontradas em refrigeração de processadores, a temperatura obtida pelo sensor condiz em magnitude, mesmo se tratando de uma resistência singular.

O calor dissipado pelo sistema criado foi de aproximadamente 76,37 W. O motivo pelo qual a dissipação foi maior que 50 W, mesmo em regime permanente, se deu pelo fato do dispositivo absorver calor do ambiente ao seu redor.

O valor de temperatura medido pelo sensor foi de -62ºC, que foi obtido a partir de um decrescimento exponencial partindo da temperatura ambiente, quando se atingiu o regime permanente.

Utilizando os conhecimentos obtidos em aula e o que se esperava em relação à montagem da bancada, os resultados obtidos foram satisfatórios, pois durante todo o experimento, o protótipo não apresentou nenhum problema e os resultados ficaram próximos do esperado.

17

Referências Bibliográficas [1] INCROPERA, Frank P.; DeWitt; Bergman; Lavine. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6ªed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. [2] WIKIPÉDIA. Dissipador de calor. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Dissipador_de_calor >. Acessado em: 1 de Dezembro de 2009. [3] WIKIPÉDIA. Nitrogênio Líquido. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Nitrogênio_líquido>. Acessado em: 5 de Dezembro de 2009. [4] WIKIPÉDIA. Efeito Leidenfrost. Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/Leidenfrost_effect>. Acessado em: 10 de Dezembro de 2009. [5] WIKIPÉDIA. Calor Latente. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_latente>. Acessado em: 10 de Dezembro de 2009. [6] HOTHARDWARE. Core i7 Extreme overclocking with LN2. Disponível em: <http://hothardware.com/Articles/Core-i7-Extreme-Overclocking-with-Liquid-Nitrogen/?page=3>. Acessado em: 10 de Dezembro de 2009. [7] FOELOCK. PT100 Conversion. Disponível em: <http://www.foelock.co.uk/foelock/conversions/temperature/pt100.asp>. Acessado em: 10 de Dezembro de 2009. [8] AIRLIQUIDE. Gas Encyclopaedia. Disponível em: <http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?GasID=5>. Acessado em: 11 de Dezembro de 2009. [9] ZALMAN. CNPS9900 LED. Disponível em: <http://www.zalman.com/Eng/product/Product_Read.asp?idx=333>. Acessado em: 5 de Dezembro de 2009. [10] SMITH SCHNEIDER, P., 2008, Termometria e Psicrometria, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre.