Túnel Aerodinâmico para Pesquisas em Gerenciamento Térmico de Componentes Eletrônicos

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1 Túnel Aerodinâmico para Pesquisas em Gerenciamento Térmico de Componentes Eletrônicos Marcelo Correa Machado Filho (DAMEC/UTFPR/Ponta Grossa) Jhon Jairo Ramirez-Behainne (DAMEC/UTFPR/Ponta Grossa) Thiago Antonini Alves (DAMEC/UTFPR/Ponta Grossa) Resumo: O objetivo principal deste trabalho é a descrição de um túnel aerodinâmico capaz de reproduzir diferentes velocidades e características de escoamento para pesquisas associadas ao gerenciamento térmico de componentes eletrônicos montados em uma placa de circuito impresso. O trabalho apresenta considerações técnicas para o projeto dos diferentes componentes do sistema experimental, bem como características construtivas para possibilitar a realização de testes em escala de laboratório. O túnel aerodinâmico foi projetado para promover escoamento fluido na faixa de número de Reynolds de até A altura da seção de testes pode ser variada entre 0,001 m e 0,180 m. O sistema descrito representa uma ferramenta para a realização de pesquisas experimentais, com as quais poderão ser validados estudos de simulação numérica do escoamento fluido e de mecanismos de transferência de calor em componentes da indústria eletrônica. O equipamento apresenta um custo relativamente baixo, é de fácil operação e manutenção, o que o torna particularmente apropriado para a aplicação no ensino e na pesquisa, em nível de iniciação científica, de desenvolvimento tecnológico e de pós-graduação, em Engenharia. Palavras-chave: Gerenciamento térmico, túnel aerodinâmico, projeto, construção, desenvolvimento científicotecnológico. 1. Introdução Um túnel aerodinâmico consiste na principal instalação de ensaios na maioria dos laboratórios de aerodinâmica. Seu objetivo é produzir uma corrente de fluido regular em condições controladas para o ensaio de modelos de veículos terrestres, aéreos e marítimos, além de diferentes tipos de estruturas submetidas à ação do vento ou de correntes fluviais ou marítimas, dentre outros (MACHADO FILHO et al., 2012). Os ensaios em túnel são realizados visando à determinação experimental das forças de arrasto e sustentação, momentos, das distribuições de velocidade, de pressão e de temperatura, além de outras informações necessárias ao projeto, análise e operação de diferentes equipamentos e sistemas (JARDIM et al., 2003). A Figura 1 ilustra a visualização do escoamento ao redor de um modelo automobilístico em um túnel aerodinâmico através da injeção de fumaça.

2 Figura 1 Ensaio de um modelo automobilístico em um túnel aerodinâmico. Fonte: Pode-se afirmar que o túnel aerodinâmico ilustra as condições de escoamento do fluido ao redor de um modelo ou protótipo. Ele é capaz de uma resolução espacial e temporal (a turbulência, por exemplo) mais eficaz que os supercomputadores disponíveis na atualidade. Os túneis aerodinâmicos têm sido exaustivamente empregados, não apenas nas aplicações anteriormente mencionadas, mas em diversas outras áreas da Engenharia visando o desenvolvimento de pesquisas científicas e de inovações tecnológicas, contribuindo significativamente para o progresso da humanidade (MACHADO FILHO, 2013). Neste trabalho, o principal objetivo é a descrição do projeto e da construção de um túnel aerodinâmico que será utilizado para investigação experimental de pesquisas científicotecnológicas em problemas motivados pelo Nível 2 de empacotamento eletrônico (Fig. 2) associado ao controle térmico de aquecedor(es) 3D protuberante(s) montado(s) em placa de circuito impresso (ALVES, 2010). Bolacha de semi-condutor Substrato Conector da borda Nível 2 PCB Nível 0 chip Painel traseiro Nível 1 Invólucro do chip Invólucro Placa de circuito impresso Nível 3 Arranjo de PCB s Chassis Nível 4 Gabinete Figura 2 Níveis de empacotamento eletrônico. Fonte: Çengel & Ghajar (2012)

3 2. Motivação O projeto e a construção de um túnel aerodinâmico não é uma tarefa simples, devido à escassez de dados explícitos sobre a matéria. Na verdade, uma grande parte da documentação relativa aos procedimentos realizados em um laboratório fica, na maioria das vezes, restrito à tradição oral, conhecido como cultura de laboratório (BENEDUZZI et al., 2005). Desta forma, as tecnologias envolvidas permanecem à margem da bibliografia técnica convencional. Este é o caso típico da construção de túneis aerodinâmicos, onde inúmeros detalhes são de conhecimento extremamente restrito, limitado a um pequeno grupo de trabalho, o que dificulta o desenvolvimento de novos projetos por equipes neófitas (SARAN et al., 2003). 3. Descrição do Túnel Aerodinâmico Este equipamento experimental foi projetado baseado nos trabalhos de Garimella & Eibeck (1991), Young & Vafai (1999) e Kim & Kim (2009). Do ponto de vista morfológico, o túnel aerodinâmico é constituído por um plenum, um condicionador tipo feixe de tubos, uma seção de testes, um redutor e conversor de área, um medidor de vazão (placa de orifício), uma conexão flexível medidor de vazão-ventilador e de um ventilador centrífugo com inversor de frequência acoplado. Todas estas partes são apoiadas em bancadas (chassis) de aço carbono. Um diagrama esquemático do aparato experimental, confeccionado através do software Solid Edge, está ilustrado na Fig. 3. Figura 3 Diagrama esquemático do túnel aerodinâmico: (1) plenum, (2) condicionador tipo feixe de tubos, (3) seção de testes, (4) redutor e conversor de área, (5) medidor de vazão, (6) conexão flexível e (7) ventilador centrífugo. A construção e a instalação deste equipamento foi financiada através de recursos provenientes do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Campus Ponta Grossa. O montante envolvido foi de R$ ,00 (dezoito mil reais). Na Figura 4 é mostrada uma fotografia do túnel aerodinâmico no Laboratório de Controle Térmico de Equipamentos Eletrônicos (LabCTEE) pertencente ao DAMEC/UTFPR/ Campus Ponta Grossa.

4 Figura 4 Túnel aerodinâmico instalado no Laboratório de Controle Térmico de Equipamentos Eletrônicos: (1) plenum, (2) condicionador tipo feixe de tubos, (3) seção de testes, (4) redutor e conversor de área, (5) medidor de vazão, (6) conexão flexível, (7) ventilador centrífugo e (8) inversor de frequência. Uma breve descrição das características geométricas e operacionais é efetuada a seguir para cada um dos componentes do túnel aerodinâmico Plenum O plenum foi construído de madeira MDF (medium density fiberboard) de 25 mm de espessura com dimensões de 1m x 1m x 1m Fig. 5. Em sua entrada foi instalada uma grade de proteção de aço carbono e em seu interior foram instaladas duas telas de aço inoxidável (mesh de 6 mm e 4 mm) visando eliminar à geração de estruturas turbilhonares. Figura 4 Plenum.

5 3.2. Condicionador tipo feixe de tubos Com o objetivo de fornecer à entrada da seção de testes um perfil de velocidades uniforme, um condicionador tipo feixe de tubos foi instalado entre a saída do plenum e a entrada da seção de testes Fig. 5. Este componente foi construído em chapa de 2 mm de espessura de aço carbono e em seu interior estão presentes aproximadamente 300 tubos de aço inoxidável com diâmetro de 0,0127 m e 0,200 m de comprimento. Esta seção atua como outro manipulador de turbulência, eliminando as velocidades cruzadas e eventuais vórtices residuais gerados, que, por ventura, ainda não tenham sido eliminados pela ação das telas de aço inoxidável presentes no plenum. Figura 5 Condicionador tipo feixe de tubos Seção de testes A seção de testes, apresentada na Fig. 6, possui dimensões de 0,350 m de largura e 0,900 m de comprimento e sua altura pode variar entre 0,001 m e 0,180 m através de um mecanismo composto por três polias dentadas, três mancais e duas roscas sem fim. Para garantir completo acesso óptico ao seu interior, a seção de testes foi fabricada de acrílico (chapas de 0,01 m de espessura) sendo reforçada com uma estrutura metálica de aço carbono. As chapas de acrílico foram unidas com metacrilato de metila, que garante uma soldabilidade muitas vezes superior à tradicional colagem com clorofórmio. Além disso, em sua parte inferior (parede inferior do canal retangular horizontal) existe uma abertura intercambiável para fixação do substrato contendo o(s) aquecedor(es) protuberante(s) Redutor e conversor de área Um prolongamento entre a seção de testes e o conjunto medidor de vazão foi construído em aço carbono utilizando chapas de 2 mm de espessura. Este componente tem como principal objetivo uma redução e conversão de área entre a seção transversal retangular da seção de testes e a seção circular (diâmetro de 0,0543 m) da região a montante da placa de orifício. Em sua entrada foi instalada uma tela de aço inoxidável com o objetivo de eliminar possíveis interferências no escoamento. O redutor/conversor de área pode ser observado na Fig. 6.

6 Figura 6 Seção de testes e redutor/conversor de área Medidor de vazão Este dispositivo é composto por uma tubulação reta na região a montante do medidor de vazão, que tem a função de fornecer um escoamento completamente desenvolvido na entrada da placa de orifício. O comprimento do duto é de 30 vezes maior do que o diâmetro interno da tubulação de 54,3 mm, existindo também uma região de tubo reto a jusante do medidor de vazão, como descrito na norma NBR ISO (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1994). O elemento principal do conjunto é uma placa de orifício construída em aço inoxidável, com uma relação de área orifício/diâmetro interno de tubo igual a 0,5 e tomadas de pressão do Tipo D e D/2. A Figura 7 ilustra a placa de orificio descrita. Figura 7 Conjunto Placa de Orifício. Para o cálculo da vazão mássica no túnel aerodinâmico é necessário o conhecimento da pressão manométrica a montante da placa de orifício e da queda de pressão total no medidor de vazão. Como pode ser observado na Fig. 7, estas medidas de pressão podem ser tomadas utilizando dois manômetros em U instalados próximos à placa de orifício.

7 3.6. Conexão flexível medidor de vazão-ventilador Uma mangueira flexível construída em PVC, de diâmetro nominal de 0,508 m com comprimento de 0,35 m, foi instalada entre o ventilador centrífugo e o conjunto medidor de vazão, com o intuito de eliminar as vibrações mecânicas causadas pelo funcionamento do ventilador centrífugo Fig. 8. Estas vibrações afetariam os resultados na seção de testes, pois, segundo Rosim (2012), estas perturbações podem causar descolamento antecipado da camada-limite fluidodinâmica do escoamento Ventilador Centrífugo O ventilador centrífugo IBRAM modelo CRE-03, mostrado na Fig. 8, é acionado por um motor elétrico de indução com uma potência de 2 CV, fornecendo uma variação do número de Reynolds do escoamento no canal entre e , mediante a utilização de um inversor de frequência acoplado ao motor. O inversor de frequência WEB modelo CFW-8 foi instalado em um painel elétrico na parede próxima ao motor elétrico/ventilador centrífugo. Figura 8 Manômetros em U, placa de oríficio, conexão flexível, ventilador centrífugo e inversor de frequência. 4. Testes preliminares Nos primeiros testes experimentais realizados no túnel aerodinâmico através da injeção de fumaça, Fig. 9, ficou constatada completa vedação do equipamento o que permitiu a obtenção de resultados confiáveis de vazão mássica através da placa de orifício. Este sistema de vedação consistiu basicamente da presença de borrachas/teflon nas flanges, de carpet na seção de testes e afixação de abraçadeiras entre o conjunto medidor de vazão e ventilador centrífugo.

8 Figura 9 Testes preliminares utilizando a injeção de fumaça. 5. Conclusões Neste trabalho foi realizada a descrição de um túnel aerodinâmico utilizado no Laboratório de Controle Térmico de Equipamentos Eletrônicos do Departamento Acadêmico de Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná do Campus Ponta Grossa LabCTEE/DAMEC/ UTFPR/Campus Ponta Grossa. As considerações técnicas de projeto e as características construtivas dos componentes do equipamento experimental foram apresentadas visando à realização de pesquisas experimentais, com as quais poderão ser validados estudos de simulação numérica do escoamento fluido e de mecanismos de transferência de calor em componentes da indústria eletrônica. O túnel aerodinâmico apresenta um custo relativamente baixo, aproximadamente R$ incluindo sua instalação, é de fácil operação e manutenção, o que o torna particularmente apropriado para a aplicação no ensino e na pesquisa, em nível de graduação e de pósgraduação, em Engenharia. Os resultados experimentais das pesquisas científico-tecnológicas desenvolvidas serão apresentados nos projetos de iniciação científica, de iniciação tecnológica e de inovação tecnológica; nos trabalhos de conclusão de curso de Graduação em Engenharia Mecânica e; nas dissertações de mestrado do Programa de Pós-Graduação (Mestrado) em Engenharia Mecânica da UTFPR/Campus Ponta Grossa. Além disso, eles serão publicados em congressos técnico-científicos e em periódicos indexados nacionais e internacionais. Agradecimentos Os autores agradecem o Departamento Acadêmico de Mecânica da UTFPR/Campus Ponta Grossa pelo suporte financeiro na construção e instalação do túnel aerodinâmico descrito neste trabalho. Além disso, agradecimentos são prestados à Direção de Pesquisa e Pós- Graduação e à Direção Geral da UTFPR/Campus Ponta Grossa, à Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação da UTFPR e à Multiman Indústria e Comércio de Máquinas Ltda.

9 Referências ALVES, T.A. Resfriamento Conjugado de Aquecedores Discretos em Canais. Tese de Doutorado, Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas: Campinas, SP, 129p., ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR ISO : Medição de Vazão de Fluidos por meio de Instrumentos de Pressão Parte 1: Placas de Orifícios, Bocais e Tubos de Venturi Instalados em Seção Transversal Circular de Condutos Forçados, BENEDUZZI, A.H., SARAN, D.J., WOISKI, E.R., ANDRÉ, J.A., ZUCATO, J.T.G., SALVIANO, L.O., DUARTE JUNIOR, L.A., MASHIBA, M.H.S., JARDIM, M.F., QUENZER, M.C.L., LIMA, P.H., LIMA, R.S., ALVES, T.A., FREITAS, T.C. Concepção, Projeto, Construção e Desempenho de um Túnel Aerodinâmico do Tipo Soprador para o Ensino e a Pesquisa em Engenharia. Anais do V SudestePET (em CD- ROM), 14p., Vitória, ES, ÇENGEL, Y. A., GHAJAR, A. J. Resfriamento de equipamento eletrônico. In: ÇENGEL, Y.A., GHAJAR, A.J., Eds., Transferência de calor e massa, pp São Paulo, SP: McGraw-Hill, cap. 15. (disponível na internet, acesso em 15/05/2013). GARIMELLA, S.V. & EIBECK, P.A. Enhancement of Single Phase Convective Heat Transfer from Protruding Elements using Vortex Generations. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 34, p , JARDIM, M.F., ALVES, T.A., SALVIANO, L.O., SARAN, D.J., WOISKI, E.R., MANSUR, S.S. & VIEIRA, E.D.R. Projeto de um Túnel Aerodinâmico do Tipo Soprador para o Ensino e a Pesquisa em Engenharia. Anais do X Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica (em CD-ROM), 2 p., Santos, SP, KIM, T.Y. & KIM, S.J. Fluid Flow and Heat Transfer Characteristics of Cross-Cut Heat Sinks. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, p , MACHADO FILHO, M.C. Projeto e Construção de um Túnel Aerodinâmico para Pesquisas em Controle Térmico de Componentes Eletrônicos Montados em Placas de Circuito Impresso. Relatório Final de Iniciação Tecnológica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná: Ponta Grossa, PR, 20p., MACHADO FILHO, M.C., RAMIREZ-BEHAINNE, J.J. & ALVES, T.A. Projeto de um Túnel Aerodinâmico para Pesquisa em Resfriamento de Componentes Eletrônicos Montados em Placas de Circuito Impresso. Anais do XIX Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica (em CD-ROM), 2 p., São Carlos, SP, ROSIM, E.L.B. Estudo Experimental do Escoamento em Cavidades Retangulares: Padrões de Escoamento e Instabilidades Hidrodinâmicas na Camada Cisalhante. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho : Ilha Solteira, SP, 118p., SARAN, D.J., ALVES, T.A., SALVIANO, L.O., JARDIM, M.F., WOISKI, E.R., MANSUR, S.S. & VIEIRA, E.D.R. Construção de um Túnel Aerodinâmico do Tipo Soprador em Material Acrílico. Anais do X Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica (em CD-ROM), 2 p., Santos, SP, YOUNG, T.J. & VAFAI, K. Experimental and Numerical Investigation of Forced Convective Characteristics of Array of Channel Mounted Obstacles. Journal of Heat Transfer, Vol. 121, p.34-42, 1999.