BANCADA PARA COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISSIPADORES DE CALOR por. Pablo Vinícius Bassani Paulo Vinicius Faria Pedro Vasata Sgarbi William Brusius Jr

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA BANCADA PARA COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISSIPADORES DE CALOR por Pablo Vinícius Bassani Paulo Vinicius Faria Pedro Vasata Sgarbi William Brusius Jr Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, Junho de 2008

2 ii BANCADA PARA COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISSIPADORES DE CALOR RESUMO Este trabalho compara a capacidade de retirar calor de diversos dispositivos utilizados para o resfriamento de componentes eletrônicos. Através de uma bancada é construído um dissipador de calor com uma potência constante (simulando um microprocessador de computador) onde se pode facilmente acoplar diferentes sistemas de resfriamento e medir a temperatura em que o mesmo estabiliza. Quanto menor essa temperatura melhor é o dispositivo de extração de calor. Os resultados obtidos demonstram que um extrator com tubos de calor (heat pipe) é um pouco mais eficiente do os convencionais sistemas de aletas com ventilador (cooler).

3 iii ABSTRACT BENCH FOR COOLING SYSTEM COMPARISON This work compares the ability of withdrawing heat of several devices used to cool electronic devices. Through a bench that produces a constant power (simulating a PC processor), it is easy to install several different cooling systems and then measure the temperature at which the system stabilizes. It is possible to say which cooling system is the best. The lower that temperature is, the best is the device for extraction of heat. The result shows that a heat pipe type extractor is a bit more efficient than the conventional systems of cooler and fins.

4 iv SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA TEMPERATURA EM REGIME PERMANENTE TUBOS DE CALOR EFICIÊNCIA DE SUPERFÍCIES ALETADAS CONSTRUÇÃO DA BANCADA PROCEDIMENTO EXPERMIENTAL AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO RESULTADOS SEM DISPOSITIVO DISSIPADOR DE CALOR ALETAS DE ALUMÍNIO DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR LATERAL DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR NA PARTE SUPERIOR TUBO DE CALOR I TUBO DE CALOR II CONCLUSÕES REFERÊNCIAS... 16

5 v LISTA DE SÍMBOLOS A Área [m²] Q cond Calor retirado por condução [W] Q conv Calor retirado por convecção [W] Q g Calor gerado [W] Q rad Calor retirado por radiação [W] Q s Calor saindo de um volume de controle [W] h Coeficiente de convecção com o ar [W/m²K] L c Comprimento característico [m] L f Comprimento da base até a ponta da aleta [m] k Condutividade térmica do material [W/m²K] w Espessura da aleta [m] N Números de aletas [adimensional] T a Temperatura do ambiente [K] T i Temperatura interna [K] σ Constante de Stefan-Boltzmann [5, W/m 2 K 4 ] η a Eficiência de uma aleta [adimensional] η o Eficiência global da superfície aletada [adimensional] ε Emissividade do material [adimensional]

6 1 1. INTRODUÇÃO A tecnologia de miniaturalização de componentes eletrônicos traz enormes vantagens em relação à velocidade de execução de tarefas e uma maior portabilidade dos mesmos. Porém, essa tecnologia esbarra num grande problema que é a extração do calor gerado pelos dispositivos eletrônicos. Equipamentos cada vez menores e mais potentes requerem métodos melhores para retirada de calor e para suprir essa necessidade, novas tecnologias em componentes para dissipação do calor estão sendo postas à venda para o consumidor. Torna-se importante comparar o desempenho desses novos equipamentos. Para isso foi desenvolvida uma bancada onde é possível comparar de modo relativamente simples esses dispositivos. Com uma análise centrada na temperatura dos componentes foi realizada a comparação entre cinco arranjos de aparelhos extratores de calor. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. TEMPERATURA EM REGIME PERMANENTE Extratores de calor podem funcionar por diversos princípios. Uma aleta, por exemplo, aumenta a superfície de contato. Para um ventilador, a função é de aumentar a taxa de remoção de calor por convecção. Materiais que têm uma condutividade térmica elevada melhoram a troca de calor por condução. Para estudar o desempenho de diferentes trocadores de calor é conveniente utilizar um método que seja comum para todos. O método escolhido por nesse trabalho é o de medir a temperatura (em regime permanente) do componente a ser aquecido. Uma menor temperatura em regime permanente significa uma melhor retirada do calor. Levando em consideração um volume de controle onde calor Q g é gerado dentro dele e que calor Q s é retirado. O calor gerado e a temperatura ambiente (T a ) são constantes. Um esquema disso é mostrado na Figura 1 abaixo: Figura 1 - Volume de controle em regime permanente.

7 2 Esse sistema estará em regime permanente na condição em que Q g = Q s e quando isso ocorrer nosso volume de controle estará a uma temperatura interna (T i ) definida. Pelas equações de condução (Equação 1), convecção (Equação 2) e radiação (Equação 3): Q cond = k A ( T Ta ) (1) i Q conv = h A T T ) (2) ( i a Q rad 4 4 = σ ε A ( T T ) (3) i a onde A é a área de contato (m²), k é a condutividade térmica do material (W/m²K), h é o coeficiente de convecção (W/m²K), T a é a temperatura ambiente (K), T i é a temperatura interna (K), ε é a emissividade do material e σ é a constante de Stefan-Boltzmann (5, W/m 2 K 4 ). Então, obrigatoriamente, aumentando h, ε, ou k e deixando Q, A e T a constantes estaremos reduzindo T i. E isso prova que podemos comparar os desempenhos pela temperatura do sistema estabilizado (em regime permanente) TUBOS DE CALOR Um tubo de calor consiste em um mecanismo de troca de calor que pode transportar grandes quantidades de calor entre interfaces quentes e frias com uma diferença de temperatura muito pequena, o que o torna altamente eficiente. Ele é um tubo metálico fechado em ambas as extremidades e com uma estrutura porosa recobrindo as suas paredes internas. O tubo é evacuado e preenchido com certa quantidade de fluido de trabalho, menor que o volume interno do tubo. Sua operação ocorre em um ciclo bifásico fechado, onde na região do evaporador, o calor é fornecido ao tubo, fazendo com que o fluido se vaporize. O fluido é então transportado através do tubo por diferença de pressão para a região mais fria, o condensador, onde o calor é rejeitado. Neste processo de rejeição, o fluido de trabalho é condensado, e retorna para o evaporador por efeito de capilaridade através da estrutura porosa da qual são feitas às paredes do tubo. O principio de funcionamento do tubo do calor é mostrado na Figura 2.

8 3 Figura 2 - Princípio de funcionamento de um tubo calor. (Fonte: Devido ao fato de a operação se basear na vaporização e condensação do fluido, a seleção deste deve ser bastante criteriosa na construção do tubo de calor, ou seja, sua temperatura de ebulição deve se adequar a temperatura ao nível de temperatura de operação. Além disso, propriedades como a molhabilidade e tensão superficial também devem ser avaliadas. A principal diferença entre o tubo de calor e o termossifão é que este não tem a estrutura porosa interna para retornar o líquido condensado para o evaporador. Neste caso, quem faz o retorno do líquido para o evaporador é a gravidade. Por isso os termossifões não podem operar nem na horizontal, nem contra a gravidade e muito menos em ambientes sem gravidade como é o caso de satélites. A vantagem do termossifão é a sua maior simplicidade, uma vez que não existe a necessidade de uma estrutura porosa. Figura 3 - Detalhe das ranhuras internas de um tubo de calor. (Fonte:

9 EFICIÊNCIA DE SUPERFÍCIES ALETADAS Uma medida do desempenho de uma aleta é a sua eficiência, que leva em conta o fato de que a taxa máxima de energia na qual uma aleta poderia dissipar é a taxa que existiria se toda a superfície estivesse na temperatura da base. Porém, essa condição é apenas uma idealização, já que um gradiente de temperatura deve existir, uma vez que a aleta é uma resistência condutiva finita. A equação para obtenção da eficiência de uma aleta está descrita na Equação 4 abaixo: tanh(ml ) η C a = (4) mlc L = L w (5) f 4 C + m= 4h (6) kw onde h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²K), k é a condutividade do material (W/m²K), w é a espessura da aleta (m), Lc é o comprimento característico (m) e L f é o comprimento da base até a ponta da aleta. Esta eficiência de aleta caracteriza o desempenho de apenas uma única aleta. Para descrever um conjunto de aletas e a base à qual elas estão fixadas deve-se calcular a eficiência global da superfície η o conforme a Equação 7: η NA a o = 1 (1 η a ) (7) At onde η a é a eficiência de uma aleta, N é o número de aletas, A a é a área da superfície de cada aleta (m²) e A t a área superficial total (m²).

10 5 3. CONSTRUÇÃO DA BANCADA Utilizou-se uma bancada que já havia sido construída para um experimento anterior (Maidana et al, 2007). Esta é constituída de três resistências de 87Ω ligadas em série. Esses resistores são ligados diretamente na rede (~110V), dissipando uma potência de 46W. Esta potência é um pouco inferior do que alguns componentes eletrônicos, porém para a análise escolhida pelo grupo ela tem uma mesma validade para fins de comparação. Essa bancada foi levemente adaptada para simular a situação de um processador de computador real. A área de contato da fonte de calor teve de ser reduzida para ficar mais semelhante à de um microprocessador. Para isso colocou-se uma chapa de cobre de 25x25mm com pasta térmica na bancada original e isolaram-se as partes em redor com manta térmica visando forçar o calor a fluir o máximo possível por essa placa de cobre. Um desenho e uma foto da montagem podem ser visto nas Figuras 4 e 5. Figura 4 - Foto da bancada.

11 6 Figura 5 - Desenho da montagem da bancada. Para a medição da temperatura foram utilizados termopares tipo K. Optou-se por fazer a medição em dois pontos: um na base do aquecedor onde se esperam encontrar as temperaturas mais altas. E outro perto da extremidade superior do aquecedor para ter uma idéia da temperatura no extrator de calor que estará sendo analisado. Para instalação desse segundo termopar foi feito um furo na placa de cobre a fim de conseguir captar a temperatura central.

12 7 Os termopares são ligados em um sistema de aquisição de dados controlado por um software computacional que registra as temperaturas dos termopares em intervalos de tempo. A ligação com o sistema de aquisição pode ser visto na Figura 6. Figura 6 - Sistema de aquisição de dados conectado ao experimento. 4. PROCEDIMENTO EXPERMIENTAL A primeira etapa foi ter uma idéia da temperatura que a fonte de calor atingiria sem qualquer dispositivo dissipador de calor. Para isso apenas foi ligada na alimentação. Após 15 minutos a temperatura não apresentava variações significativas e foi considerada estabilizada. O tempo de 15 minutos foi adotado como o tempo máximo para estabilizar a temperatura para todas as outras medições. As etapas seguintes foram as de comparação entre os dissipadores, para isso repetiu-se a primeira etapa, porém com cada extrator de calor instalado sobre a fonte de calor. Através do sistema de aquisição de dados, foi realizada uma leitura a cada 3 segundos, em cada um dos sensores. Com os dados obtidos, pôde-se gerar gráficos de temperatura x tempo para cada sensor e com esses gráficos foram feitas as devidas análises.

13 8 5. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO 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. Como os valores medidos não chegaram a ultrapassar os 100 C, a incerteza adotada foi a de valor fixo. O uso de cabos de compensação para medição da temperatura não influenciou significativamente nos resultados, já que o objetivo era apenas realizar uma comparação entre as temperaturas medidas e não o seu valor exato. 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 software de aquisição de dados ±2,2 C. 6. RESULTADOS Abaixo estão apresentados os resultados obtidos com os diferentes arranjos que foram realizados durante os experimentos SEM DISPOSITIVO DISSIPADOR DE CALOR Esta montagem foi utilizada como base na comparação com todas as montagens feitas. Uma foto do arranjo pode ser vista na Figura 7 e o gráfico da temperatura x tempo obtido dos dados exportados do programa de aquisição de dados pode ser visto na Figura 8. Figura 7 - Experimento referência, sem dissipador de calor.

14 9 Figura 8 - Variação da temperatura ao longo do tempo da bancada sem dissipador de calor ALETAS DE ALUMÍNIO Montagem da bancada com uma superfície com base de 50x50mm, 16 aletas de 20 cm de altura, de alumínio (k=210w/mk) colocada sobre a base de cobre da bancada utilizando pasta térmica. A Figura 9 mostra uma foto do experimento e a Figura 10 mostra os resultados obtidos. Figura 9 - Dissipador aletado de alumínio sem ventilador.

15 10 Figura 10 Gráfico temperatura x tempo para aletas de alumínio sem ventilador DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR LATERAL Este arranjo foi montado com o cooler MTEK CB0355U. Informações sobre o mesmo não estavam disponíveis na caixa do produto nem no site do fabricante ( A Figura 11 mostra uma foto da montagem e a Figura 12 mostra o gráfico dos resultados obtidos. Figura 11 Dissipador de calor MTEK de cobre com ventilador colocado na lateral.

16 11 Figura 12 - Gráfico temperatura x tempo para dissipador de cobre com ventilador lateral DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR NA PARTE SUPERIOR Esta montagem se assemelha muito com a anterior, a única mudança é que o ventilador foi colocado na parte superior do dissipador, que é sua utilização mais comum. A Figura 13 representa uma foto do arranjo e a Figura 14 mostra os resultados obtidos no experimento. Figura 13 - Dissipador MTEK de cobre com ventilador em cima.

17 12 Figura 14 - Gráfico temperatura x tempo para dissipador de cobre com ventilador em cima TUBO DE CALOR I Nesta montagem utilizou-se o tubo de calor Cooler Silver Knight da fabricante Leadership. No site do fabricante ( foi verificado que o dissipador utiliza água para as trocas de calor. A Figura 15 mostra uma foto da montagem e a Figura 16 mostra o gráfico dos resultados obtidos. Figura 15 - Foto da bancada com o tubo de calor modelo I.

18 13 Figura 16 - Variação da temperatura ao longo do tempo da bancada com o tubo de calor I. Percebe-se no gráfico dois picos de temperatura nos minutos 11 e 12 que foram provocados pela desunião entre a base de cobre da bancada e a base do dissipador de calor TUBO DE CALOR II Neste arranjo utilizou-se um tubo de calor da fabricante Cooler Master. Não foi possível adquirir quaisquer informações sobre o dispositivo junto ao site do fabricante ( A Figura 17 mostra uma foto da montagem e a Figura 18 mostra o gráfico dos resultados obtidos. Figura 17 - Foto da bancada com o tubo de calor modelo II.

19 14 Figura 18 - Variação da temperatura ao longo do tempo da bancada com o tubo de calor II. Para uma melhor visualização dos resultados obtidos foi montada a Tabela 1 abaixo em que se pode comparar a temperatura final de estabilização dos dissipadores de calor. Tabela 1 - Comparação da temperatura dos sistemas de dissipação de calor quando estabilizados. Elemento Dissipador Temperatura de estabilização no termopar superior [ C] Temperatura de estabilização no termopar inferior [ C] Sem Dissipador Aletas de Alumínio Aletas de Cobre com Ventilador Lateral Aletas de Cobre com Ventilador em Cima Tubo de Calor I Tubo de Calor II Pela comparação que pode ser feita pela tabela, observa-se que o melhor desempenho foi obtido pelo Tubo de Calor II em relação aos outros dispositivos testados.

20 15 7. CONCLUSÕES Com essa bancada conseguiu-se mostrar a diferença da utilização de sistemas de resfriamento para componentes eletrônicos. Porém, esperava-se um melhor desempenho dos tubos de calor frente aos dissipadores mais comuns, até pelo motivo de justificar seu preço, que é muito mais elevado que a convencional superfície aletada com ventilador. A partir dos resultados obtidos, verificou-se que para uma mesma potência dissipada o melhor dispositivo foi o Tubo de Calor II, do fabricante Cooler Master, seguido pela superfície aletada de cobre com ventilado colocado em cima da MTEK. Um dos motivos desse desempenho inferior ao esperado dos tubos de calor possivelmente se encontra no fato da temperatura da fonte de calor não estar tão elevada a ponto de fazer o líquido do dispositivo evaporar. Um dado simples que nenhum dos fabricantes disponibilizou. Sabe-se que a troca de calor quando há mudança de fase é muito maior. Fica e sugestão para trabalhos futuros a construção de uma bancada que estime a faixa de potência de operação destes dispositivos. Outro ponto que pode ser abordado pelos grupos é a construção de dissipadores com alta performance e de tamanho diminuto.

21 16 8. REFERÊNCIAS Bertoldo Jr, J., Pasquotto, L.G., Bürger, V.S., Análise da Eficiência da Dissipação de Calor em Aletas com Ventilação Natural e Ventilação Forçada, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Franco, A.O., Moura, A.S.N., de Leon, D.M., Desempenho de um Tubo de Calor Aletado, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, Quinta edição, Editora LTC, Rio de Janeiro. Maidana, C.F., Marin, A., Adamski, R.M., Trindade, R.A., Bancada para Medida de Eficácia Térmica de Pastilhas de Efeito Peltier, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Schneider, P. S., Incertezas de Medição e Ajuste de Dados, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Schneider, P. S., Termometria e Psicrometria, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. acessado em 20/06/08. acessado 08/06/08. acessado em 20/06/08. acessado em 20/06/08.