RESFRIAMENTO DE SUPERFÍCIES

CONVECÇÃO NATURALE

RADIAÇÃO

2

Sistemas eletrônicos de baixa potência são convenientemente

resfriados por CONVECÇÃO NATURAL E RADIAÇÃO

Convecção Natural (CN) não envolve ventiladores

e é baseada no movimento do fluido por diferença de densidade,

devido a diferença de temperatura,

que permite formar correntes de

convecção natural.

É eficaz quando o percurso do fluido

é relativamente livre de obstáculos.

A magnitude da transferência de calor por convecção natural

entre uma superfície e um fluido está diretamente relacionada

com a taxa de escoamento do fluido.

CN: sem ventiladores a taxa, ou a velocidade, não pode ser

controlada externamente, sendo estabelecida pelo equilíbrio

dinâmico de empuxo e atrito.

3

1) > (Tfluido-sup – Tfluido-corrente) > força de empuxo

+correntes de CN e > a taxa de transferência de calor

Tfluido-sup = fluido adjacente a uma superfície quente

Tfluido–corrente = fluido adjacente a superfície quente e o fluido

afastado dela

2) dois corpos em contato se movem em relação um ao outro,

uma força de atrito desenvolve-se na superfície de contato no

sentido oposto ao do movimento

Esta força de oposição retarda o fluido e reduz a taxa de

escoamento do fluido

Em regime estacionário, a taxa de escoamento do ar é

estabelecida no ponto onde estes dois efeitos se equilibram.

A força de atrito aumenta à medida que mais e mais superfícies

sólidas são introduzidas, prejudicando seriamente o escoamento

do fluido e a transferência de calor .

4

Componentes eletrônicos ou PCBs colocados em TVs ou DVDs

são resfriados por CN, com aberturas de ventilação sobre o case,

que permitem que o ar frio entre e o ar aquecido saia livremente

As aberturas para TC dos equipamentos eletrônicos devem

minimizar a resistência ao escoamento e devem ser localizadas

na parte lateral ou traseira para entrada de ar e na parte superior

para saída do ar.

5

h é coeficiente local de transferência de calor por convecção

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

O valor de h depende da geometria da superfície e do regime

de escoamento do fluido.

O processo de convecção envolve a TC entre a superfície

sólida e um fluido em escoamento adjacente à superfície

Taxa de calor transferido por convecção:

)TT(hAq supsup

6

Regimes de escoamento do fluido

Laminar o escoamento do fluido é ordenado, sendo possível identificar

as linhas de corrente ao longo das quais as partículas se movem.

Turbulento o movimento é altamente irregular sendo caracterizado por

flutuações de velocidade. Estas flutuações melhoram a transferência de

momento, energia e massa e aumentam o atrito na superfície e as

taxas de transferência por convecção

laminar transição turbulento

Correntes de CN começam como

laminar (suave e ordenada) e

transformam-se em turbulento,

quando a dimensão do corpo e a

diferença de temperatura

entre a superfície quente e o fluido

são grandes.

7

Para o ar, o escoamento é laminar, quando as diferenças de

temperatura em questão são menores que 100 °C e o comprimento

característico do corpo é inferior a 0,5 m, o que é quase sempre o caso

em equipamento eletrônico.

O coeficiente de transferência de calor por CN para o escoamento

laminar à Patm do ar é:

Lc: comprimento característico (L do corpo ao longo do caminho do

escoamento)

K: constante que depende da geometria e orientação do corpo.

25,0

Lc

TKh

8

Relações simplificadas para h de CN com ar à pressão atmosférica para diferentes

geometrias e escoamento laminar

Valores de h em W/m² ºC, ∆T em ºC e L ou D em m

Para P diferentes de 1 atm:

Phh atm1

9

Processos combinados de CN e Radiação

Superfícies quentes cercadas por

superfícies mais frias, como as paredes e

tetos de uma sala ou apenas o céu,

também são resfriadas por radiação.

A magnitude de TC por radiação, em geral,

é comparável a da TC por CN

)TvizTs(Aq 44

Superfícies com 1 (plásticos e superfícies pintadas)

TC de radiação é insignificante para metais polidos (baixa ) e

para corpos cercados por superfícies, quase a mesma

temperatura.

A TC por radiação entre uma superfície à temperatura Ts

completamente rodeada por uma superfície muito maior à

temperatura Tviz:

10

Se a superfície quente (Ts) tem visão parcial da superfície mais fria

(Tviz), usar o fator de forma F

F: fração da vista da superfície quente bloqueada pela superfície mais

fria.

)TvizTs(AFq 44

Na análise preliminar, a superfície é geralmente assumida ser

completamente rodeada por uma única superfície hipotética, cuja

temperatura é a temperatura média das superfícies circundantes

O valor de F fica na faixa de 0 (superfície quente não tem vista direta

para a superfície mais fria) a 1 (superfície quente está completamente

cercada pela superfície fria).

11

Arranjos de Placas de Circuito Impresso e a TC

PCIs de baixa potência montados dentro de um

chassis são resfriados por CN com aberturas

adequadas para facilitar o fluxo de ar

O fluxo de ar entre as PCIs aumenta quando

aquecido pelos componentes eletrônicos e é

substituído pelo ar frio entrando

Isto inicia o escoamento por CN através das

passagens paralelas de escoamento formadas

pelas PCIs.

PCIs montadas verticalmente tiram proveito das

correntes de CN e minimizam bolsas de ar que

podem ficar presas.

PCIs montadas muito afastadas desperdiçam

espaços e muito perto "sufocam" o escoamento

aumentado a resistência.

12

Na análise de TC de PCI, a radiação é desconsiderada

quando:

A montagem dos componentes é bloqueada por

componentes que geram mais calor

Componentes quentes estão em frente a superfícies mais

quentes em vez de uma superfície mais fria.

Exceções são as extremidades do chassi que “visualizam”

as superfícies laterais mais frias.

Assim deve-se montar os componentes de alta potência da

PCI próximos às paredes do chassis para aproveitar o

resfriamento adicional fornecido pela radiação.

13

As correntes de CN ocorrem apenas em campos gravitacionais, não

pode haver TC por CN no espaço.

Quando as passagens de ar são bloqueadas e ar quente não pode

subir, não haverá movimento de ar, e a TC através do ar será por

condução.

A TC das superfícies quentes por CN e radiação pode ser

aumentada fixando aletas às superfícies.

As PCI que dissipam até cerca de 5 W de potência (ou densidade de

potência de 0,02 W/cm²) podem ser resfriadas de forma eficaz por

CN

A TC da PCI pode ser analisada como uma placa retangular com

fontes de calor uniformemente distribuídas de um lado e isoladas do

outro lado (TC a partir das superfícies posteriores das PCI é

geralmente pequena)

Para PCIs com componentes eletrônicos montados em ambos os

lados, a taxa e a área de superfície de TC serão duas vezes maior.

14

Exemplo:

Considere uma PCI de 15 x 20 cm com componentes eletrônicos de

um lado, dissipando um total de 7 W.

A placa é montada em um rack vertical em conjunto com outras

placas.

- Se a temperatura da superfície dos componentes não é superior a

100 °C, determine a máxima temperatura do ambiente no qual esta

placa pode operar com segurança ao nível do mar.

- Qual seria sua resposta se este rack estivesse a 4000 m de

altitude, onde a pressão atmosférica é 61,66 kPa?