APLICAÇÃO DE UM HEAT PIPE EM EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO

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1 APLICAÇÃO DE UM HEAT PIPE EM EQUIPAMENTO ELÉTRICO/ELETRÔNICO Guilherme Kumassaka Weisheimer Euryale de Jesus Zerbini Resumo Os Heat Pipes são equipamentos capazes de transferir grande quantidade de calor que operam através do ciclo de evaporaçãocondensação de um fluido de trabalho confinado em seu interior. A partir de uma revisão bibliográfica sobre o funcionamento de tais dispositivos, construiu-se um modelo numérico para projetar um heat pipe de temperatura moderada, não-controlado, através do cálculo de seus limites de operação quando aplicado a um equipamento elétrico que apresenta grande dissipação de calor. O limite de capilaridade mostrou-se decisivo nas condições de trabalho encontradas, então diferentes configurações de mecha foram analisadas até que se projetou um dispositivo que apresenta capacidade de transferência adequada para a aplicação escolhida. Palavras chave: Transferência de calor, termodinâmica. 1. Introdução O Heat Pipe é um dispositivo projetado para transferir calor através da evaporação e condensação de um fluido de trabalho, confinado em seu interior. De construção relativamente simples, não apresenta partes móveis e conduz grande quantidade de calor mediante uma pequena diferença de temperatura. O equipamento apresenta condutividade térmica muito maior do que qualquer metal conhecido. Durante grande parte de sua existência, os heat pipes tiveram uso praticamente restrito a aplicações aeroespaciais e na indústria. Porém, com o aumento do desempenho dos computadores pessoais e, conseqüentemente, da potência dissipada por estes, os heat pipes tornaram-se mais populares. Pode-se encontrar estes dispositivos tanto em sistemas onde a dissipação de calor é um fator crítico, como em notebooks, ilustrado pela Fig. (1a), quanto em sistemas de dissipação passivos com o objetivo de eliminar o ruído emitido por ventiladores, como na placa de vídeo da Fig. (1b). Este trabalho tem como objetivo projetar e simular um heat pipe a partir dos dados de operação de um equipamento elétrico ou eletrônico onde a dissipação de calor seja um elemento chave. Figura 1. Aplicação de heat pipes em computadores. 2. Funcionamento Em sua forma mais convencional, um heat pipe é um tubo fechado em cuja superfície interna localiza-se uma mecha saturada com a fase líquida de um fluido de trabalho, sendo o restante do volume ocupado por sua fase vapor. O heat pipe possui três regiões: evaporador, condensador e seção adiabática. Calor proveniente de uma fonte externa é transferido ao evaporador, vaporizando o líquido. O gradiente de pressão resultante produz o escoamento do vapor formado até o condensador, onde o calor é rejeitado e o fluido de trabalho volta a seu estado líquido. Este retorna então ao evaporador devido à força de capilaridade desenvolvida na mecha. O fato de este ciclo trabalhar com a entalpia de

2 vaporização do fluido, ao invés de condução pura, justifica a capacidade de um heat pipe transferir grande quantidade de calor mediante uma pequena diferença de temperatura. Os heat pipes não possuem uma temperatura de operação característica, pois ajustam sua temperatura de trabalho de acordo com as condições impostas pela fonte de calor e pelo dissipador. Existem técnicas que permitem controlar as características de operação de heat pipes, porém estas não serão abordadas neste trabalho. Logo, o projeto de um heat pipe é feito através do levantamento de seu envelope de operação, de acordo com seus limites de funcionamento Fluidos de trabalho Uma ampla gama de fluidos de trabalho pode ser utilizada, cobrindo uma faixa de temperaturas de operação de 20 até 2000K. Costuma-se classificar os heat pipes de acordo com sua temperatura de trabalho entre criogênicos, de temperatura moderada e de metais líquidos. Para operar corretamente, o fluido selecionado deve ter a temperatura do ponto de fusão abaixo e a temperatura de seu ponto crítico acima da temperatura de funcionamento. A Figura (2) ilustra a faixa de utilização de vários fluidos de trabalho. Figura 2. Fluidos de trabalho e respectivas faixas de operação[1] Mechas Deseja-se que a mecha de um heat pipe seja capaz de gerar grande pressão de capilaridade na interface líquidovapor, transfira eficientemente o calor da superfície da parede interna até tal interface e permita o escoamento de líquido no seu interior. Para tal, desenvolveram-se vários tipos de mechas diferentes, buscando-se pequenos poros na interface líquido-vapor para favorecer a pressão de capilaridade, grandes poros internos para facilitar a passagem do líquido e pequena resistência térmica ao longo de sua espessura, a fim de minimizar a queda de temperatura. Pode-se classificar as mechas existentes em homogêneas, feitas a partir de um único material, e compostas, a partir de mais de um material ou estrutura. 3. Limites de operação A máxima quantidade de calor que um heat pipe pode transportar é determinada por quatro limites principais de operação: limite de capilaridade, sônico, arrastamento e por ebulição. Para o tipo de aplicação proposta, de temperatura de funcionamento moderada, a capilaridade mostra-se como principal fator limitante. Logo, este critério foi adotado para o levantamento do envelope de operação do heat pipe Limite por capilaridade Este limite ocorre quando a pressão de capilaridade disponível não é suficiente para repor o líquido na seção do evaporador, secando a mecha nesta região.

3 Pressão de capilaridade disponível A pressão de capilaridade disponível é função da diferença de curvatura entre os meniscos formados no evaporador e condensador. Para um heatpipe operando em condições ideais, o menisco possui raio infinito no condensador e o ângulo de contato menisco-poro é igual a zero no evaporador, com ilustra a Fig. (3). Figura 3. Ângulos de contato dos meniscos em condições ideais de operação. A equação (1) é utilizada para calcular a máxima pressão de capilaridade disponível. Nela, r c é o raio efetivo de capilaridade, característico para cada tipo de mecha, σ é o coeficiente de tensão superficial do fluido. 2.σ C = (1) M r ( P ) Perda de pressão no líquido c A queda de pressão no líquido é calculada integrando-se o gradiente de pressão ao longo de todo o heat pipe. Como a velocidade do líquido no heat pipe é muito baixa, pode-se desprezar a perda de pressão por forças inerciais. A Equação (2) sintetiza este cálculo. dpl = Fl. Q (2) dx O fluxo de calor axial é representado por Q e F l é o coeficiente de atrito para o escoamento do líquido, dependente das propriedades da mecha e do fluido Perda de pressão no vapor A perda de pressão no vapor é calculada de maneira análoga à da fase líquida. A pequena massa específica do vapor leva a velocidades de escoamento maiores, o que pode tornar representativas as perdas por forças inerciais. A Equação (3) define como este cálculo é feito. 2 dq P = Fv. Q Dv (3) dx O termo F v relaciona-se com as perdas por atrito e D v com as perdas dinâmicas. Estes coeficientes são dependentes do número de Reynolds e de Mach do escoamento Fluxo máximo de calor Rearranjando as equações apresentadas, obtemos a Eq. (4), que define o fator de transporte de calor, ( P ) P P ( ) c, max QL. Lt C M ( QL) c, max = Q. dx = (4) 0 Fl + Fv

4 Os termos P e P representam as perdas hidrostáticas axiais e radiais, respectivamente. Tais gradientes existem apenas se o heat pipe estiver submetido a um campo gravitacional. Temos então a relação que calcula a máxima quantidade de calor que pode ser transportada de acordo com o limite de capilaridade do heat pipe, Eq. (5). Tal cálculo utiliza o conceito de comprimento efetivo do heat pipe, L eff, função dos tamanhos do evaporador, condensador e região adiabática. Q c,max ( QL) c,max = (5) L eff 4. Escolha do equipamento Três aplicações principais foram identificadas para o projeto do heat pipe: microprocessadores, notebooks e equipamentos elétricos de grande dissipação. Embora o uso em componentes eletrônicos tenha bastante visibilidade hoje, além de ser um mercado promissor, optou-se por projetar o heat pipe para um painel transformador utilizado em instalações metro-ferroviárias, uma vez que as potências envolvidas são maiores cerca de 800W no total e o maior espaço disponível para a acomodação do heat pipe permite geometria mais simples. 5. Projeto e simulação 5.1. Escolha de fluido de trabalho e materiais Dentre os fluidos de trabalhos adequados para uso em heat pipes de temperaturas moderadas escolheu-se a água, pois esta apresenta propriedades mais favoráveis, como maiores valores de entalpia de vaporização e de tensão superficial. Tais propriedades podem ser sintetizadas pelo método de número de mérito dos fluidos de trabalho [1]. Como material do reservatório, escolheu-se cobre devido a sua excelente condutividade térmica e a sua compatibilidade com a água. O alumínio, por exemplo, quando utilizado em conjunto com água produz gases nãocondensáveis, que prejudicam o desempenho do equipamento. Devido à disponibilidade e baixo custo, optou-se pelo uso de mecha de tela. Telas de 100, 200 e 250 poros por polegada foram selecionadas Dimensões e critérios de projeto A disposição ideal do heat pipe teria o condensador posicionado na parte superior do armário, permitindo maior transporte de calor devido ao auxílio da gravidade no retorno do fluido condensado ao evaporador. Porém, o pouco espaço disponível em salas de controle de instalações metroviárias podem impedir essa configuração, tendo em vista que o armário possui altura de 1,80m. Então, o comprimento do heat pipe foi definido em 70 centímetros, suficiente para ligar as fontes de calor a dissipadores localizados na parte traseira do gabinete. Optou-se por um tubo de cobre de diâmetro padrão de uma polegada. Por precaução, posicionamentos desfavoráveis, em que o condensador está num nível abaixo do evaporador, foram considerados. Uma margem de tolerância de 10 em relação à horizontal foi prevista, ou seja, a situação em que há um desnível desfavorável de 12cm entre as extremidades também é analisado Simulação e resultados Um algoritmo foi desenvolvido em ambiente Scilab 4, para simular o envelope de operação do heat pipe. Nele, configurações de mecha diferentes foram analisadas, sendo evidente a relação entre o número de mecha e conseqüentemente, sua porosidade e o comportamento do heat pipe. Enquanto que uma mecha feita com tela 100 permite transferir mais calor que as de tela 200 ou 250 quando na horizontal, com inclinação de 10 é incapaz de operar. Logo, a maior pressão de capilaridade proporcionada pelas mechas de maior porosidade tornou-se o fator de escolha, em detrimento das maiores perdas por atrito decorrentes. As perdas na fase vapor mostraram-se muito pequenas, sendo que a influência delas no desempenho geral do heat pipe pode ser desprezada. Para diminuir as perdas por atrito das telas de maior porosidade, aumentou-se a espessura da mecha. Uma vez que o desempenho ainda não era satisfatório frente ao calor dissipado pelas fontes térmicas disjuntores, transformadores e uma chave seccionadora, cerca de 250W cada optou-se pelo uso de uma mecha composta: o heat pipe possui uma mecha de tela 100 ao longo de todo seu comprimento para o escoamento do líquido e, na região do evaporador, é coberta por tela 250 na interface líquido-vapor, aumentando a pressão de capilaridade disponível. Desta maneira, é possível conciliar as propriedades desejadas das mechas disponíveis. A Figura (4) ilustra a capacidade máxima de transferência de calor para esta mecha mista, para as espessuras de 1 e 2mm.

5 Capacidade máxima de transferência de calor (W) Capacidade de transferência - Mecha composta 1mm - 0 1mm mm - 0 2mm Temperatura ( C) Figura 4. Capacidade de transferência de calor de um heat pipe de mecha composta 6. Conclusões Neste trabalho, foi possível verificar a elevada capacidade de transferência de calor de um Heat Pipe aplicado a um dispositivo elétrico, através de sua modelagem numérica. Ao definir uma configuração adequada às exigências do equipamento, atestaram-se as vantagens do uso de mechas compostas, nas quais é possível manipular seus parâmetros de acordo com as necessidades da aplicação escolhida. 7. Referências [1] Chi, S.W., Heat Pipe Theory and Practice, Hemisphere Publishing Corporation, [2] Peterson, G.P., An Introduction to Heat Pipes Modeling, Testing, and Applications, John Wiley and Sons, Inc., [3] Sá, N. M., Simulação numérica de um heat-pipe, EPUSP, São Paulo, 2005 [4] Zerbini, E. J., Um estudo analítico-experimental de um Heat Pipe de temperatura moderada, EPUSP, São Paulo, [5] Dunn, P. D., and Reay, D. A., 1982, Heat Pipes, 3rd. ed., Pergamon, Oxford. [6] Incropera, F. P., and DeWitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, LTC, Direitos autorais Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. APPLICATION OF A HEAT PIPE IN ELECTRIC/ELETRONIC EQUIPMENT Guilherme Kumassaka Weisheimer gkweisheimer@gmail.com Euryale de Jesus Zerbini ejzerbini@yahoo.com Abstract. Heat Pipes are heat transfer equipments that operate through an evaporation-condensation cycle of a working fluid in a vessel. This work presents a bibliographical revision of the operation principles of such devices and a mathematical model built to design a moderated temperature, noncontrolled heat pipe. Its specifications were defined through its operational limits calculation when applied to a electric equipment dissipating large amounts of heat. Once the most important limitaion is the one related to capillary pressure, different wick configurations were analysed so a satisfactory heat transfer device was achieved. Keywords. Heat transfer, thermodynamics.