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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
RESFRIAMENTO DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA UTILIZANDO ESCOAMENTO DE
ÁGUA EM PLACA ALETADA
por
Gustavo Knies
Leonardo Pereira
Lucas de Bastiani
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, dezembro de 2009
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AGRADECIMENTOS
Professor Batista, pelo apoio em laboratório, apoio com usinagem de materiais
necessários à realização deste e esclarecimentos acerca de instrumentos de medições térmicas.
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RESUMO
O presente trabalho estuda a retirada de calor de uma resistência que simula um
componente eletrônico. Para tanto foi construído um dispositivo, que apresenta um sistema de
trocador de calor acrescido de superfície aletada (consiste em células interligadas entre si, onde
circula fluido) no seu interior. Como os dissipadores de calor com superfície aletada são
projetados para trabalhar em ambientes com convecção forçada, o fluido entra em contato com
as aletas, aumentando o fluxo de calor e, assim, evitando o aumento de temperatura do
dispositivo eletrônico. A vazão fornecida foi assegurada por uma bomba, dada a característica da
curva da mesma. Assim, um manômetro foi instalado na linha para o controle da vazão
fornecida. A medição de temperaturas foi realizada através de termopares (dispositivos elétricos
com larga aplicação para medição de temperatura) e assim calcular o fluxo de calor dissipado na
sua direção transversal. A resistência foi apoiada sobre um tijolo refratário e assim dissipar maior
parte de seu calor de forma unidirecional. A temperatura foi medida em três casos de montagem,
sendo o primeiro apenas circulando água pelo sistema, o segundo colocando um chuveiro na
entrada do reservatório e o terceiro acrescendo um escoamento de ar à água proveniente do
chuveiro. A temperatura em que a resistência estabilizou-se foi de 40 ºC, 38 ºC e 37 ºC, para o
primeiro, segundo e terceiro caso, respectivamente. A potência de calor retirada para o terceiro e
mais otimizado caso foi de 41,3 Watts, sendo o fluxo de calor retirado de 6450 W/m². A
utilização do sistema dissipador de calor mostrou-se eficiente e com boa possibilidade de
implementação comercial do mesmo, através de melhoramentos e eventuais modificações.
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ABSTRACT
This paper studies the removal of heat from a resistance that simulates an electronic
component. Thus, we built a device that has a system of heat exchanger surface plus fins
(consisting of interconnected cells, where it circulates fluid) inside. As the heat sinks with
surface fins are designed to work in environments with forced convection, the fluid comes in
contact with the fins, increasing the heat flow and thus preventing the temperature rise of the
electronic device. The flow rate provided was assured by a pump, given the characteristic curve
of the same. Thus, a gauge was installed in line to the flow control provided. The temperature
measurement was performed using thermocouples (fixtures with wide application for measuring
temperature) and then calculate the flow of heat dissipated in the transverse direction. Resistance
was supported on a firebrick and thus dissipate most of its heat unidirectional. The temperature
was measured in three cases of assembly, the first only by the circulating water system, the
second putting a shower at the entrance of the tank and third adding an air flow to the water from
the shower of the previous system. The resistance temperature was 40 º C, 38 ºC and 37 º C, for
the first, second and third case, respectively. The power of heat removal for the third and most
optimized case was 41.3 Watts, being the flux of heat removal of 6450 W/m². The use of the heat
sink was efficient and with good potential for implementing the same business, through
improvements and possible changes.
5
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS
A Área da base [m²]
tA Área total do dissipador [m²]
aA Área das aletas [m²]
bA Áreas das base das aletas [m²]
h Coeficiente de convecção externa Km
W2
fk Condutividade térmica do fluido mK
W
ak Condutividade térmica do material mK
W
aL Comprimento da aleta [m]
bL Espessura da base [m]
cL Comprimento característico da aleta [m]
N Número de aletas [Adimensional]
Nu Número de Nusselt
fkhL
Pr Número de Prandtl
q Taxa de calor [W]
R1 Resistência da pasta W
K
R2 Resistência da base das aletas W
K
R3 Resistência das aletas W
K
Re Número de Reynolds [Adimensional]
t Espessura da aleta [m]
T1 Temperatura da resistência [K]
T2 Temperatura da pasta [K]
T3 Temperatura da base das aleta [K]
T4 Temperatura do fluido [K]
a Eficiência de uma aleta [Adimensional]
o Eficiência total das aletas [Adimensional]
Viscosidade cinemática 2sm
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SUMÁRIO
Pág.
1. INTRODUÇÃO 7
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 7
3. FUNDAMENTAÇÃO 7
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 10
4.1 – CONSTRUÇÃO DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO 10
4.2 – INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO 13
4.3 – FUNCIONAMENTO 14
5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO 15
6. RESULTADOS 15
7. CONCLUSÕES 18
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 19
7
1. INTRODUÇÃO
Quando se gera calor em um equipamento e este calor não é utilizado de forma útil, isto
significa que grande parte da energia consumida pelo equipamento está simplesmente sendo
jogada fora, aquecendo e prejudicando o funcionamento do aparelho. Este aquecimento pode ser
suficiente para encurtar a vida do componente ou mesmo fazer com que o dispositivo falhe. É
nestes casos que medidas de gerenciamento térmico necessitam ser tomadas.
O presente trabalho traz um estudo de resfriamento de componentes eletrônicos,
simulados por uma resistência elétrica. Será utilizado um dispositivo capaz de retirar parte do
calor gerado pelo equipamento. Um trocador de calor será acoplado ao equipamento e este terá a
convecção melhorada ao ser alimentado com água, com escoamento proporcionado por uma
bomba. Os objetivos deste estudo são conseguir uma eficiente retirada de calor do componente
em questão e aplicação prática de conceitos de medições térmicas desenvolvidos no decorrer da
disciplina.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Comparações entre diversos tipos de dissipadores foram realizador por Bassani et al 2008
“Bancada para comparação de desempenho de dissipadores de calor”. Foram comparados os
seguinte dissipadores: sem dissipador, aletas de alumínio, aletas de cobre com ventilador lateral,
aletas de cobre com ventilador em cima e tubo de calor. O dissipador com melhor resultado foi o
tubo de calor.
As equações apresentadas neste trabalho foram retiradas de “Fundamentos de
Transferência de Calor e Massa” , Incropera et al, 2007.
3. FUNDAMENTAÇÃO
Um trocador de calor, de forma simplificada, consiste de um reservatório que pode
possuir tubos ou superfícies de grande área de contato para maximizar a troca de calor entre
fluidos de diferentes temperaturas.
Aleta, conhecida como superfície estendida, utilizada em situações diferentes que
envolvem efeitos combinados de condução/convecção de calor, é usada especialmente para
aumentar a transferência de calor entre um sólido e um fluido adjacente.
Para se ter uma distribuição de temperaturas ao longo da aleta, é necessária uma boa
condutividade térmica do material, a qual influencia no nível de melhora da taxa de transferência
de calor. Seria interessante uma condutividade térmica elevada do material da aleta para diminuir
variações de temperatura desde a sua base até sua extremidade, assim maximizando a melhora de
transferência de calor.
A efetividade da aleta é melhorada pela seleção de material com elevada condutividade
térmica, como ligas de alumínio e cobre. A efetividade também é melhorada pelo aumento da
razão entre o perímetro e a área de seção transversal. Por isso, o uso de aletas finas com pequeno
espaçamento entre elas é preferido, com a condição de que o espaço entre aletas não seja
reduzido a um valor que no qual o escoamento do fluido entre elas seja prejudicado, reduzindo o
coeficiente convectivo.
A resistência estudada neste trabalho gera calor q (W) e este calor deve ser dissipado
pelas aletas. Considerando a hipótese que o fluxo de calor seja unidirecional, seguindo apenas o
sentido do dissipador, o fluxo extraído da resistência pode ser esquematizado conforme o
esquema da Figura 1, a seguir.
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Figura 1 – Esquema do dissipador e circuito térmico do estudo
Na Figura acima, T1 representa a temperatura da resistência, T2 a temperatura da base do
dissipador, T3 a temperatura da base da aleta e T4 a temperatura do fluido. As resistências
térmicas, R1, R2 e R3, representam as resistências da pasta térmica, da base do dissipador aletado
e das aletas, respectivamente. A taxa de calor pode ser descrita com a seguinte equação:
R
TTq
41 (1)
onde T1 e T4 são as temperaturas da base da resistência e do fluido (K) e R as resistências
envolvidas no sistema (K/W).
A resistência R1 é obtida em catálogo de fabricante de pasta térmica.
As resistências térmicas R2 e R3 são calculadas pelas seguintes equações:
Ak
LR
a
b2 (2)
othAR
13 (3)
onde bL representa a espessura da base (m), ak é a condutividade térmica do material (W/(m
K)), A é a área da base (m²), h coeficiente de convecção externa (W/(m²K)), tA a área total de
contato entre o fluido externo e a aleta (m²) e o a eficiência total das aletas.
O fluido que está em contato com as aletas, está com movimento forçado, portanto irá
retirar calor por convecção forçada. As equações são apresentadas a seguir:
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a
fL
L
kNuh (4)
3/12/1
PrRe664,0 LLNu (5)
onde LNu é o número de Nusselt, fk é a condutividade térmica do fluido (W/(m K)), aL é a
altura da aleta (m), Pr é o número de Prandtl.
A área total e a eficiência são dadas pelas seguintes equações:
bat ANAA (6)
)1(1 a
t
ao
A
NA (7)
c
c
amL
)mLtanh( (8)
)2/(tLLc (9)
tk
hm
a
2 (10)
onde N é o número de aletas, aA é a área da aleta (m²), bA é a área da base das aletas (m²), a é a
eficiência de uma aleta, h é a convecção externa (W/(m²K)), ak é a condutividade térmica do
material (W/(m K)) e t é a espessura da aleta (m).
Segue abaixo, na Figura 2, um desenho esquemático do trocador e o sistema de aletas.
Figura 2 – Esquema do trocador aletado
O trocador de calor de aço possui dimensões de 145 mm x 70 mm x 45 mm. As aletas
possuem altura de 2,2 cm e a base tem espessura de 1 cm; o reservatório de aço possui espessura
de 1cm.
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4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
4.1 – Construção do Sistema de Resfriamento
O sistema montado para a realização deste estudo consiste em uma caixa retangular,
(trocador de calor) construída em aço equipada com um bloco de alumínio aletado (dissipador de
calor). Esta caixa possui tubos de entrada e saída para fluido. Ligado a estes tubos está uma
tubulação que é alimentada por uma bomba centrífuga. A bomba succiona água de um
reservatório. Existe também sobre o reservatório uma mini torre de resfriamento. O esquema do
sistema em questão é apresentado na Figura 3, a seguir.
Figura 3 – Esquema do sistema experimental
O reservatório utilizado foi construído a partir de um balde de uso doméstico com devida
furação para entrada e saída do fluido de operação.
A mini torre de resfriamento também foi construída com um balde de uso doméstico. Em
sua parte superior foi instalado um chuveiro que recebe a água vinda da caixa que está sobre a
resistência e ao lado possui um moto-ventilador que força convecção de ar para o fluido. A
Figura 4, a seguir, ilustra estes dois equipamentos mencionados.
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Figura 4 – Imagem da mini torre de resfriamento e reservatório
Foram utilizadas duas bombas para a realização deste estudo. A primeira é da marca
FAMAC modelo F1 e desenvolve uma potência de 243 Watts. A curva característica desta
bomba foi fornecida pelo fabricante e é apresentada na Figura 5, a seguir.
Figura 5 – Curva característica bomba FAMAC F1
A segunda bomba, é uma bomba antiga de máquina de lavar roupa de marca e curvas de
desempenho desconhecidas. A curva da bomba foi levantada já que se dispunha de um
manômetro e de torneira para controle de vazão. As Figuras 6 e 7 a seguir ilustram a bomba e
sua curva característica, respectivamente.
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Figura 6 – Imagem da bomba de máquina de lavar roupa
Figura 7 - Curva característica Vazão x Pressão para bomba utilizada
A caixa retangular foi construída em aço SAE 1020, sendo equipada com um dissipador
aletado de alumínio embutido em seu interior e que entra diretamente em contato com a
resistência ensaiada. As Figuras 8 e 9, mostram imagens destes dispositivos em período de
construção.
Figura 8 – Imagens da caixa retangular do trocador de calor
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Figura 9 – Imagem do dissipador aletado
Os demais equipamentos são mangueiras, torneiras, canos e conexões que realizam o
fechamento do circuito de fluido de resfriamento. A figura 10 ilustra o equipamento completo.
Figura 10 – Montagem do sistema completo
4.2 Instrumentos de medição
A instrumentação adotada para este estudo foi de três termopares, um montado na
entrada de fluido, outro na saída e um terceiro em contato com a resistência. Também foram
montados dois manômetros de tubo de coluna d´água, construído pelos próprios alunos. As
Figuras 11 e 12 ilustram a instrumentação utilizada no equipamento.
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Figura 11 – Ilustração da posição de montagem dos Termopares
Figura 12 – Montagem do manômetro na saída do trocador de calor
4.3 – Funcionamento
O fluido que se encontra no reservatório é succionado pela bomba, que foi instalada a
jusante do mesmo. Este fluido é bombeado para a caixa metálica onde passa por entre as aletas
do dissipador e retira o calor proveniente da resistência pelo princípio de convecção de calor e
conduzido pelo princípio de condução de calor para as aletas. Passando pelo dissipador, o fluido
aumenta levemente sua temperatura. Após obter este ganho de temperatura o fluido é então
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conduzido para a mini torre de resfriamento. A torre retira o calor adicional do fluido pelo
princípio de convecção forçada. O chuveiro instalado na parte superior do balde e por onde o
fluido escoa, tem o objetivo de dispersar a água e assim aumentar a área de superfície de troca de
calor com a ar nele incidente. Este ar é dotado de energia cinética, já que foi instalado um moto-
ventilador ao lado da torre de resfriamento e que proporciona a desejada convecção forçada ao
fluido. O fluido retorna ao reservatório com temperatura ambiente, ou seja, a mesma temperatura
em que deixa o reservatório, proporcionando assim um circuito fechado sem necessidade de
alimentação constante de fluido.
5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO
De acordo com dados das tabelas ITS-90 para termopares, as incertezas associadas à leitura
da temperatura dos termopares tipo K correspondem a +-2,2°C ou 0,75% da leitura. Portanto, o
valor real da temperatura em cada uma das situações do experimento tem 95% de probabilidade
de se encontrar em torno do valor lido pelo multiteste de +-2,2°C.
6. RESULTADOS
Na primeira montagem do equipamento foi utilizada a bomba FAMAC. Mediu-se uma
vazão 24 l/min. para o sistema de resfriamento em questão. A pressão medida para o sistema foi
de 6,08 kPa. Esta bomba falhou no primeiro teste e não pôde mais ser avaliada para este
trabalho.
Após isto foi montado o aparato conforme a Figura 10, com a bomba de máquina de lavar
roupas e passou-se a realizar os testes requeridos para este estudo.
O estudo foi dividido em três casos por motivo de comparação de eficiência entre cada
um deles. A vazão para esta montagem foi de 12 l/min. Os três casos são apresentados a seguir
com devidos resultados.
Primeiro caso: Montagem com água apenas recirculando no circuito, sem ventilador e
sem chuveiro. A pressão verificada no manômetro foi de 1,86 kPa a jusante e atmosférica a
montante do escoamento. Os resultados para temperatura da resistência são apresentados na
Figura 13 abaixo.
Figura 13 – Evolução da temperatura ao longo do tempo para primeiro caso de montagem
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Pode-se observar no gráfico que a temperatura aumenta até estabilizar num valor próximo
de 40ºC. Para este caso as temperaturas medidas na entrada e saída do trocador forram de 28 e 29
ºC, respectivamente.
Segundo caso: Montagem com chuveiro e sem ventilador. A pressão verificado no
manômetro foi de 1,57 kPa a jusante e 735 Pa a montante, totalizando uma perda de carga no
trocador de 835 Pa. Os resultados para temperatura da resistência são apresentados na Figura 14
abaixo.
Figura 14 – Evolução da temperatura ao longo do tempo para segundo caso de montagem
Pode-se observar no gráfico que a temperatura aumenta até estabilizar num valor próximo
de 38 ºC. Para este caso as temperaturas medidas na entrada e saída do trocador foram de 29 e 30
ºC, respectivamente.
Terceiro caso: Montagem completa com ventilador e chuveiro na torre de resfriamento. A
pressão verificado no manômetro foi de 1,57 kPa a jusante e 735 Pa a jusante, totalizando uma
perda de carga no trocador de 835 Pa. Os resultados para temperatura da resistência são
apresentados na Figura 15 abaixo.
Figura 15 – Evolução da temperatura ao longo do tempo para terceiro caso de montagem
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Pode-se observar no gráfico que a temperatura aumenta até estabilizar num valor próximo
de 37 ºC. Para este caso as temperaturas medidas na entrada e saída do trocador forram de 29 e
30 ºC, respectivamente.
Para efeito de visualização de como o sistema se comporta quando desliga-se o
bombeamento de água e, depois de algum tempo, retoma-se o funcionamento do sistema, foi
feita uma medição desligando o sistema na altura dos 40ºC até atingir 60 ºC. Após isso se deu-se
novamente partida à bomba e a Figura 16 a seguir ilustra o comportamento deste fenômeno.
Figura 16 – Comportamento do sistema no tempo ligando e desligando-o
Neste experimento foi utilizada a montagem completa com chuveiro e ventilador para
resfriamento. Foi desligado o sistema e observado o aumento da temperatura da resistência.
Quando a temperatura chegou aos 60 ºC, a bomba e o ventilador foram religados e observou-se
uma brusca queda de temperatura devido à “lavagem” do trocador de calor com água que não
estava aquecida naquele momento. Após isto a temperatura foi baixando e estabilizou-se em
cerca de 47 ºC, levando muito tempo para baixar para 46 ºC, o que significa que uma vez
aquecido o sistema possui uma inércia muito grande para retornar ao equilíbrio.
De posse dos valores do sistema foi possível calcular as resistências térmicas envolvidas
no processo com a utilização das equações 2 e 3. As equações 4 a 10, foram utilizadas para
determinar valores necessários ao cálculo das resistências térmicas.
De posse das temperaturas do fluido e da resistência, assim como dos valores das
resistências térmicas envolvidas no processo, pôde-se avaliar o valor do fluxo de calor retirado
pelo equipamento com a terceira situação de montagem através da utilização da equação 1, e este
foi igual a 6450 W/m². A potência de calor retirada foi igual a 41,3 Watts.
Uma observação deve ser feita referente às medições, pois as mesmas foram realizadas ao
ar livre por falta de espaço físico e a ação do vento pode ter influenciado algumas medições.
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7. CONCLUSÕES
Devido às dificuldades encontradas com o resfriamento de sistemas e componentes
eletrônicos enfrentadas nos dias de hoje, o sistema mostrou-se satisfatório mesmo sendo
ensaiado em condições desfavoráveis. Tendo em vista que processadores trabalham por volta dos
40º C, o sistema conseguiria atender as requisições de temperatura. O tamanho do equipamento
montado para o experimento inviabilizaria qualquer tipo de uso em eletrônica, mas serve de base
para construção de sistemas menores que poderiam ser instalados em unidades de respectivo
tamanho. Melhores resultados poderiam ser alcançados se a temperatura do fluido na entrada do
trocador de calor fosse mais baixa ou com a troca de fluido para outro com maior capacidade de
troca de calor do que a água.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Bassani, P.V., Faria, P.V., Sgarbi, P.V., Brusius Jr, W.,, 2008 “Bancada para comparação
de desempenho de dissipadores de calor”, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Bergamnn, T.L., Lavine, A.S., 2007. “Fundamentos de
Transferência de Calor e de Massa”, Sexta edição, Editora LTC, Rio de Janeiro.
Schneider, P. S., 2008. “Incertezas de Medição e Ajuste de Dados”, Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Schneider, P. S., 2008. “Termometria e Psicrometria”, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
http://www.e-coyote.com.br – Acesso em 13/12/2009.