12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

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1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 ANÁLISE EXPERIMENTAL DA PERFORMANCE TÉRMICA DE TELAS METÁLICAS EM TUBOS DE CALOR Larissa Krambeck*, Felipe B. Nishida*, Paulo H. D. Santos +, Thiago Antonini Alves* *Universidade tecnológica Federal do Paraná, , Ponta Grossa, Brasil + Universidade tecnológica Federal do Paraná, , Curitiba, Brasil thiagoaalves@utfpr.edu.br RESUMO Tubos de calor são utilizados para melhorar a transferência de calor em diversos produtos. É de conhecimento que a configuração e o tamanho da malha metálica possuem influência no desempenho térmico de tubos de calor. Neste contexto, na presente pesquisa foi realizada uma análise experimental do comportamento térmico de tubos de calor com três diferentes configurações de telas metálicas. Os tubos de calor foram fabricados com tubos de cobre com diâmetro externo de 9,45 mm, diâmetro interno de 6,35 mm, comprimento total de 200 mm e malhas de bronze fosforoso como estruturas capilares ( uma única camada de mesh #60 e mesh #100, e superposição de duas camadas de malhas, uma de mesh #60 e outra de mesh #100). O fluido de trabalho utilizado foi água deionizada e os tubos de calor foram carregados com uma razão de preenchimento de 60% do volume do evaporador. O condensador foi resfriado por convecção forçada de ar, a seção adiabática foi isolada por uma fita de fibra de vidro, e o evaporador foi aquecido utilizando um resistor elétrico em fita de liga de níquel-cromo. Os tubos de calor foram testados horizontalmente sob cargas térmicas compreendidas entre 5W e 30W. Os resultados experimentais mostraram que a utilização de telas metálicas como a estrutura capilar funcionou com sucesso em todos os tubos de calor testados. Contudo, de acordo com as resistências térmicas, os melhores resultados observados foram para a estrutura capilar composta por duas camadas de malha (camada interna com mesh #100 e a camada externa com mesh #60). PALAVRAS-CHAVE: tubo de calor, telas metálicas, água, performance térmica, experimental.

2 INTRODUÇÃO Tubos de calor são utilizados para melhorar a transferência de calor em diferentes aplicações. A energia na forma de calor transmitida através do tubo de calor é baseada no princípio da mudança de fase, consequentemente, tornando-os dispositivos com condutividade térmica de vezes maior do que uma barra metálica maciça com as mesmas dimensões. As principais vantagens dos tubos de calor consistem em uma elevada condutividade térmica, não há necessidade de bombeamento de energia, não apresenta partes móveis, e as quedas de pressão são relativamente baixas. Tubos de calor podem ser aplicados na recuperação de calor em um sistema de exaustão de gases quentes, no uso doméstico, em aplicações industriais e no controle térmico de equipamentos eletroeletrônicos (Nishida et al., 2015). Basicamente, um tubo de calor é constituído por três componentes principais: um invólucro, uma estrutura porosa e um fluido de trabalho. Eles são muito importantes e devem ser química e mecanicamente compatíveis entre si. O invólucro geralmente é um tubo oco, feito de metal, vidro ou cerâmica. A estrutura porosa pode ser fabricada a partir de pós metálicos sinterizados, telas metálicas, cerâmica, fibra de vidro, ranhuras ou uma combinação destas. O fluido de trabalho pode variar de metais líquidos (mercúrio, sódio, potássio, lítio), para operar a altas temperaturas, passando por água, para temperaturas intermediárias, e até hélio ou nitrogênio para operar em baixas temperaturas (Reay et al., 2013). Conforme Mantelli (2009), o s tubos de calor operam de acordo com o seguinte princípio: na região do evaporador, calor é fornecido ao tubo de calor, vaporizando o fluido de trabalho contido dentro dessa região. O vapor gerado se desloca, devido a diferenças de pressão, para as regiões frias do tubo de calor (condensador) onde o calor transportado é rejeitado para a fonte fria. Neste processo de rejeição de calor, o vapor condensa e o condensado retorna ao evaporador, fechando o ciclo. A região adiabática, que pode ter dimensões variadas (sendo inexistentes em alguns casos) é localizada entre o evaporador e o condensador, sendo isolada do meio externo. O retorno do fluido de trabalho do condensador ao evaporador ocorre pelo efeito do bombeamento capilar, resultante do escoamento do fluido de trabalho pelo meio poroso, que normalmente reveste a parede interna do tubo de calor. Portanto, os tubos de calor podem operar em qualquer configuração de posicionamento do evaporador e do condensador. Um diagrama esquemático do princípio de funcionamento do tubos de calor é apresentado na Fig. 1. Maiores detalhes sobre o princípio de funcionamento dos tubos de calor podem ser obtidos em Peterson (1994). Fig. 1: Desenho esquemático do princípio de funcionamento de um tubo de calor. Como mencionado anteriormente, a estrutura capilar dos tubos de calor pode ser fabricada de telas metálicas. É de conhecimento que a configuração e o tamanho da malha possuem influência no desempenho térmico dos tubos de calor e isto é um problema complexo (Santos et al., 2014a). Neste contexto, na presente pesquisa, três tubos de calor com diferentes configurações de telas de metálicas de bronze fosforoso, uma única camada de mesh #60, uma única camada de mesh #100 e uma superposição de duas camadas de malhas (uma de mesh #60 e outra de mesh #100), foram testados horizontalmente e comparados para avaliação de suas performances.

3 METODOLOGIA A metodologia utilizada na construção (limpeza, montagem, teste de estanqueidade, procedimento de evacuação, e preenchimento com fluido de trabalho) dos tubos de calor, na montagem do aparato experimental e no procedimento experimental foi baseada em Santos et al. (2014b), Nishida et al. (2015) e Krambeck et al. (2015). Características dos tubos de calor Os tubos de calor foram produzidos a partir de tubos de cobre com diâmetro externo de 9,45 mm, diâmetro interno de 6,35 mm, comprimento total de 200 mm e uma tela metálica de bronze fosforoso foi utilizada como estrutura capilar (Fig. 2). Os tubos de calor apresentam uma região de evaporação (evaporador) de 80 mm de comprimento, uma região adiabática de 20 mm de comprimento e uma região de condensação (condensador) de 100 mm de comprimento. O fluido de trabalho utilizado foi água deionizada com uma razão de preenchimento de 60% do volume do evaporador. A Tabela 1 apresenta as principais características dos tubos de calor e de seu fluido de trabalho. Fig. 2: Tubo de calor construído. Tabela 1: Características estruturais dos tubos de calor analisados. Características Tubo de Calor Diâmetro interno do Tubo de Calor [mm] 6,35 Diâmetro externo do Tubo de Calor [mm] 9,45 Comprimento do Evaporador [mm] 80,0 Comprimento da Região Adiabática [mm] 20,0 Comprimento do Condensador [mm] 100 Fluido de trabalho Água deionizada Razão de preenchimento [%] 60 Meio poroso Tela metálica de bronze fosforoso As configurações de malhas (telas metálicas de bronze fosforoso) analisadas nesta pesquisa são apresentadas na Fig. 3. Estas estruturas capilares internas dos tubos de calor são: uma única camada de mesh #60 Fig. 3(a), uma única camada de mesh #100 Fig. 3(b) e uma superposição de duas camadas de malhas, uma de mesh #60 (interna) e outra de mesh #100 (externa) Fig. 3(c). (a) mesh #60 (b) mesh #100 (c) double mesh Fig. 3: Configurações de Malhas. Figuras 4(a) e 4(b) mostram as imagens microscópicas, obtidas por um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), das malhas metálicas de bronze fosforoso mesh #60 e mesh #100, respectivamente.

4 Limpeza dos tubos de calor (a) mesh #60 (b) mesh #100 Fig. 4: Imagem microscópica (MEV): estruturas capilares dos tubos. A limpeza dos tubos de calor é necessária para garantir a molhabilidade do fluido de trabalho, a eliminação de impurezas e melhorar a qualidade do vácuo. Desta forma, todos os componentes dos tubos de calor necessitam estar completamente limpos, antes que o fluido de trabalho fosse introduzido. Para tal, primeiramente, os invólucros (tubos de cobre com 200 mm de comprimento), as tampas de fechamento (usinadas a partir de uma barra maciça de cobre com diâmetro de 9,45 mm), os capilares (tubos de cobre com diâmetro interno de 1 mm e com comprimento de 40 mm) e as telas metálicas, foram limpos com álcool etílico visando retirar as sujidades maiores. Feito isso, estes componentes foram levados a um banho ultrassônico Kondentech TM, permanecendo mergulhados em álcool etílico, para que seja completamente limpo, durante 15 (quinze) minutos (Fig. 5). Montagem dos tubos de calor Fig. 5: Limpeza dos componentes dos tubos de calor no banho ultrassônico. Após a realização da limpeza de seus componentes, os tubos de calor podem ser propriamente montados. Primeiramente, as telas de malha de bronze fosforoso foram cuidadosamente inseridas no interior dos seus respectivos invólucros, e em seguida, as tampas de fechamento e o capilar foram soldados nas extremidades dos tubos de calor. O processo de soldagem foi efetuado com o auxílio de um ferro de soldar Hikari TM Power 300 e as peças foram brasadas utilizando uma liga de estanho como material de adição. A Figura 2 mostra um tubo de calor completamente montado.

5 Teste de estanqueidade Para verificar se não houve falha no processo de soldagem, foi realizado um teste de estanqueidade utilizando uma bomba de deslocamento positivo manual, um recipiente com água e uma conexão para ligar a bomba ao tubo capilar. Para tal, os tubos de calor foram inseridos dentro do recipiente contendo água e, com a bomba de deslocamento positivo foi bombeado ar para dentro dos tubos. Se houvesse alguma falha, surgiriam bolhas na água, demonstrando que existiam falhas na solda. Caso ocorresse o surgimento de bolhas, o tubo de calor defeituoso deveria ser desmontado, limpado, soldado e testado para a correção da falha no processo de soldagem. Procedimento de evacuação Antes do preenchimento dos tubos de calor com água deionizada, foi necessário fazer vácuo dentro dos tubos de calor através da utilização de uma bomba de vácuo EOS Value TM i260sv (Fig. 6). Para tal, uma mangueira polimérica foi conectada ao capilar do tubo de calor interligando-o à bomba de vácuo através de uma válvula de controle de fluxo e uma mangueira flexível de borracha. Feito isso, a bomba de vácuo foi acionada. Recomendase que este processo tenha a duração de, pelo menos, 4 (quatro) horas. Durante o processo de vácuo, a pressão interna atingida é de 9kPa e a temperatura de saturação da água relacionada com essa pressão é 43,74ºC. Preenchimento dos tubos de calor com o fluido de trabalho A quantidade de fluido de trabalho inserida no interior do tubo de calor é muito importante para o sistema de bombeamento capilar. Se não existir quantidade suficiente de fluido, o sistema de bombeamento para de funcionar e o tubo de calor entra em colapso e, consequentemente, a transferência de calor é interrompida. Para realizar o preenchimento dos tubos de calor com o fluido de trabalho, foi desenvolvida uma pequena estação de preenchimento composta por um suporte universal, uma bureta graduada (escala de 0,1 ml) com capacidade de 25 ml Global Glass TM e um fórceps (Fig. 7). O tubo de calor evacuado foi acoplado à uma mangueira polimérica que faz conexão com a bureta. Feito isso, a mangueira foi pinçada com o fórceps para evitar que ar entrasse no tubo de calor. A bureta estava completamente preenchida com o fluido de trabalho. O próximo passo foi abrir a válvula da bureta cuidadosamente para que não fosse formada nenhuma bolha de ar na tubulação entre a bureta e o tubo de calor. O fórceps foi cuidadosamente aberto para drenar o fluido de trabalho até que os tubos de calor fossem carregados com 1,41 ml, 1,35 ml e 1,34 ml, respectivamente, para mesh #60, mesh #100 e double mesh. Esta quantidade de fluido de trabalho corresponde a uma razão de preenchimento de 60% do volume do evaporador. Destaca-se que no momento do preenchimento, muito cuidado é necessário para que não se perca o vácuo existente dentro do tubo de calor. Se isso acontecer, todo o processo de vácuo deve ser realizado novamente. Após o carregamento, o capilar foi clipado com um alicate de pressão e a extremidade soldada para completa vedação. Fig. 6: Bomba de vácuo e o tubo de calor. Fig. 7: Estação de Preenchimento do tubo de calor.

6 APARATO EXPERIMENTAL O aparato experimental utilizado para os testes experimentais, mostrado na Fig. 8, foi composto por uma unidade de fonte de potência ( Politerm TM POL 16B), um sistema de aquisição de dados ( Agilent TM 34970A com 20 canais), um microcomputador Dell TM, um ventilador Ultrar TM DF12038HBL2 e um suporte universal. Fig. 8: Aparato experimental. Para avaliação do comportamento térmico dos tubos de calor, foram utilizados termopares Omega TM do tipo K. Esses sensores de temperatura foram fixados na superfície externa dos tubos de calor utilizando uma fita adesiva termosensível ( Kapton TM ). A Figura 9 apresenta de forma esquemática o posicionamento dos termopares nos tubos de calor estudados. O sistema de aquecimento do evaporador foi realizado pela dissipação de potência proveniente da passagem de uma corrente elétrica em um resistor elétrico em fita composto por uma liga de níquel-cromo (Fig. 10). Uma fita de fibra de vidro foi usada na seção adiabática como um isolante térmico e o sistema de resfriamento por convecção forçada de ar foi constituído pelo ventilador na região do condensador. Fig. 9: Posicionamento dos termopares. Fig. 10: Sistema de aquecimento dos tubos de calor. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Os resultados experimentais da performance térmica dos tubos de calor com três diferentes configurações de telas metálicas operando horizontalmente são apresentados. Os testes experimentais foram repetidos três vezes para cada configuração de malha e os erros foram comparados levando em consideração que a diferença entre as médias dos valores fossem menores que 0,5 C. Os testes foram realizados para carga térmicas crescentes de 5W, variando de 5W até 35W. A temperatura ambiente foi mantida em 20 ± 0,5 C. Por questões de segurança, os testes foram imediatamente interrompidos quando a máxima temperatura de 125 C fosse atingida no evaporador dos tubos de calor. As incertezas experimentais de temperatura foram estimadas em aproximadamente ± 1,0ºC e de carga térmica foram ± 1%. A Figura 11 apresenta as distribuições de temperaturas ao longo dos tubos de calor em função do tempo para diferentes potências dissipadas: (a) mesh #60, (b) mesh #100, e (c) double mesh. Para cada carga térmica aplicada, foi observado a tendência das temperaturas se estabilizarem. Para todos os tubos de calor, os testes foram interrompidos quando a potência de 35W foi aplicada, porque as temperaturas do evaporador atingiram a temperatura de segurança. A Figura 12 apresenta as resistências térmicas dos tubos de calor devido às diferentes potências aplicadas. As incertezas experimentais são apresentadas tanto para a resistência térmica quanto para a dissipação de potência. Independentemente da estrutura capilar interna utilizada, a resistência térmica diminui com o aumento da carga térmica aplicada no evaporador.

7 T C T C T C W T evap,1 T evap,2 T evap,3 T evap,4 T adiab T cond,1 T cond,2 T cond,3 T cond,4 T env 10W 15W t s (a) mesh # W T evap,1 T evap,2 T evap,3 T evap,4 T adiab T cond,1 T cond,2 T cond,3 T cond,4 T env 10W 15W t s (b) mesh # W T evap,1 T evap,2 T evap,3 T evap,4 T adiab T cond,1 T cond,2 T cond,3 T cond,4 T env 10W 15W t s (c) double mesh Fig. 11: Temperaturas do tubo de calor versus tempo para diferentes cargas térmicas. R t ºC/W W 20W 20W 25W 25W 25W 30W 30W 30W Mesh 60 Mesh 100 Double Mesh Heat Load W Fig. 12: Resistência térmica dos tubos de calor.

8 Dos resultados experimentais encontrados, pode ser observado que a performance térmica do tubo de calor com mesh #60 foi a pior enquanto que a performance dos tubos de calor com mesh #100 e double mesh foi similar, porém o tubo de calor com as malhas superpostas apresentou os melhores resultados de desempenho. CONCLUSÕES Nesta pesquisa foi apresentada uma análise experimental de três tubos de calor de cobre com diferentes configurações de telas metálicas de bronze fosforoso como estrutura capilar. As três configurações utilizadas foram: uma única camada de mesh #60, uma única camada de mesh #100, e uma superposição de duas camadas de malhas, uma de mesh #60 e outra de mesh #100, denominada simplesmente por double mesh. Os tubos de calor foram testados horizontalmente utilizando água deionizada como fluido de trabalho e uma razão de preenchimento de 60% do volume do evaporador. Os resultados experimentais mostraram que para todas as configurações estudadas os tubos de calor funcionaram com sucesso. O tubo de calor com double mesh obteve a melhor performance térmica, porque apresentou os melhores resultados de resistência térmica. AGRADECIMENTOS Agradecimentos são prestados ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão de bolsa de mestrado ao segundo autor. Agradecimentos também são externados à Pró-Reitoria de Pequisa e Pós-Graduação da UTFPR, à Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e ao Departamento Acadêmico de Mecânica da UTFPR/Câmpus Ponta Grossa. REFERÊNCIAS 1. F.B. Nishida, L.S. Marquardt, V.Y.S. Borges, P.H.D. Santos and T. Antonini Alves, Development of a Copper Heat Pipe with Axial Grooves Manufactured using Wire Electrical Discharge Machining (Wire - EDM), Advanced Materials Research (Online), vol. 1120, pp , D.A. Reay, P.A. Kew and R.J. McGlen, Heat Pipe: Theory, Design and Applications, Butterworth- Heinemann, Amsterdam, M.B.H. Mantelli, Tubos de Calor e Termossifões, Notas de Aula, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, G.P. Peterson, An Introduction to Heat Pipes: Modeling, Testing and Applications, (Thermal Management of Microelectronic and Electronic System Series), Wiley-Interscience, New York, D.L.F. Santos, L.S. Marquardt, P.H.D. Santos and T. Antonini Alves, Metallic Mesh as Capillary Structure Applied in Heat Pipe Heat Exchanger for Heat Recovery, Advanced Materials Research (Online), vol. 1082, pp , 2014a. 6. P.H.D. Santos, L. Krambeck, D.L.F. Santos and T. Antonini Alves, Analysis of a Stainless Steel Heat Pipe Based on Operation Limits, International Review of Mechanical Engineering, vol. 8, pp , 2014b. 7. L. Krambeck, F.B. Nishida, P.H.D. Santos and T. Antonini Alves, Investigação Experimental de um Tubo de Calor para Aplicação em Controle Térmico de Eletrônicos, Anais do XXII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica, CREEM 2015, 2015.