Gestão térmica dinâmica de superfícies: canais paralelos ou redes dendríticas

Abstract

O desempenho de sistemas electrónicos depende do controlo da temperatura dos componentes que os constituem através de técnicas de termoregulação, permitindo a otimização do seu funcionamento. Esta dissertação explora a Lei Construtal como uma ferramenta de projeto para a obtenção das configurações em sistemas de gestão térmica com melhor desempenho. De modo a realizar este estudo, foram comparadas duas abordagens ao arrefecimento de uma superfície. Uma convencional com canais dispostos em paralelo, e outra em rede dendrítica. Para efetuar essa comparação foi desenvolvida uma instalação laboratorial para testar as duas configurações. A rede dendrítica, projetada de acordo com o princípio construtal provém de um trabalho anterior. Os canais paralelos são projetados segundo o mesmo princípio e, de modo a garantir que os sistemas seriam comparáveis, usou-se como critério a equivalência entre as áreas de arrefecimento onde o líquido entra em contacto direto com a superfície. Os canais em ambas as configurações obtidas pela Lei Construtal têm uma secção transversal retangular. No caso dos canais em paralelo, a análise teórica subjacente ao dimensionamento construtal entrou em conta com o fator de atrito em canais de secções rectangulares, ao contrário do que foi projetado para a rede dendrítica. As experiências realizadas incidem sobre o efeito da distância (5, 10 e 15 cm) à fonte de energia por radiação na potência dissipada em cada sistema. Os resultados evidenciam que a temperatura de estabilização da superfície é semelhante entre configurações. Porém, a potência dissipada pela rede dendrítica é superior à dissipada pelos canais paralelos, apontando para um melhor desempenho do primeiro sistema de arrefecimento face ao segundo. Sugere-se que isso se deva à diferença no princípio de funcionamento associado ao design. No caso da configuração convencional com canais paralelos, o seu projeto depende da temperatura média do fluido circulante. A rede dendrítica não depende desse parâmetro, mas antes da geometria dos canais desde um ponto para a área a arrefecer, sugerindo que isso pode estar associado a um arrefecimento cuja temperatura final é menos sensível ao fluxo imposto.

The performance in electronic systems, dependes on controlling the temperatures of theirs components through thermal management techniques that allow the optimization of this operation. This dissertation explores the Constructal Law as a design tool in order to obtain the best performance configuration in thermal management systems. In order to realize this work, two approaches to surface cooling are compared. One with dendritic network and a convencional one with parallel channels. In this sense, a laboratory facility was developed to test both configurations. The dendritic network was designed according to the constructual principle in a previous work. The parallel channels are designed according to the same principle and to ensure that the systems would be comparable, we used as criterial the equivalence between the areas of cooling where the liquid comes into direct contact with the surface. The channels in both settings obtained by the Construtual Law have a rectangular cross section. In the case of channels in parallel, the theoretical analysis underlying the contractual calling, entered into account with the friction factor in rectangular sections, contrarily to what was projected onto the dendritic network. The experiments performed focus on the effect of distance (5, 10 and 15 cm) from the radiant source on the heat rate dissipation in each system. The results evidence similar stabilized surface temperatures in both configurations. However, heat rate dissipation in the dendritic network is higher that obtained with parallel channels. This points to a better performance in the first case, likely to be associated with operating design principle. In the conventional case with parallel channels, his design depends on the average temperature of the circulating fluid. The design of the dendritic network doesn’t depend on that parameter, but rather focus on the channels geometry from a point to the cooling area, suggesting that this can be associated to a cooling where the final temperature is less sensible to the heat flux imposed.