RESFRIAMENTO DE SUPERFÍCIES CONVECÇÃO NATURAL E RADIAÇÃO

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1 RESFRIAMENTO DE SUPERFÍCIES CONVECÇÃO NATURAL E 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. 2

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. 3

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. 4

5 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: q ha sup (T sup T ) h é coeficiente local de transferência de calor por convecção h é o coeficiente médio de TC para toda a superfície, em W/m²K T 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 O valor de h depende da geometria da superfície e do regime de escoamento do fluido. 5

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. 6

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: T h K Lc 0,25 Lc: comprimento característico (L do corpo ao longo do caminho do escoamento) K: constante que depende da geometria e orientação do corpo. 7

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: h h 1atm P 8

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 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: q A (Ts 4 Tviz 4 ) 9

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. q F A (Ts 4 Tviz 4 ) 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). 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 10

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. 11

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. 12

13 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. 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. 13

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? 14