Desenvolvimento de um termossifão plano bifásico em circuito

Abstract

Nesse trabalho, um termossifão plano com geometria inovadora foi desenvolvido para operar como parede termicamente ativa de gabinetes eletrônicos. O termossifão, especificamente pro-jetado para funcionar na orientação vertical, possui as seguintes dimensões: 320 x 193 x 24 mm. O dispositivo é composto por nove chapas de aço inoxidável 316L unidas pelo processo de união por difusão. Um modelo teórico de resistências equivalentes foi criado para predizer a resistência total do dispositivo. O termossifão plano foi fabricado e testado sob cinco condi-ções de aquecimento diferentes, o que permitiu o estudo da influência do tamanho e da posi-ção da região aquecida em seu desempenho térmico. O calor foi aplicado ao evaporador por blocos de alumínio (50 x 50 mm), dentro dos quais resistências do tipo cartucho foram aloja-das. Em contrapartida, o condensador do termossifão foi resfriado por convecção natural. Tes-tes com o termossifão carregado com quatro razões de enchimento (7,5%, 15%, 30% e 50%) foram realizados. Para fins de comparação, o termossifão vazio, no qual a transferência de calor se dá somente por condução, também foi testado. A potência fornecida ao evaporador nos testes variou de 15 W a 60 W. Ao todo, o dispositivo proposto foi testado em quinze con-figurações diferentes. Os resultados são apresentados em termos da evolução no tempo da temperatura e da resistência térmica total. Observou-se também a uniformidade de temperatu-ra nas superfícies do termossifão. A razão de enchimento influenciou severamente o desempe-nho térmico do dispositivo, a melhor razão de enchimento testada foi de 7,5%. A resistência térmica variou entre 0,047 ºC/W e 0,327 ºC/W para testes com a melhor razão de enchimento. O aumento na potência melhorou o desempenho térmico do termossifão plano, enquanto a redução do tamanho do aquecedor afetou negativamente a sua capacidade de transferir calor. Os resultados mostram que a resistência de espalhamento é dominante sobre a resistência uni-dimensional e que essa dominância aumenta com a diminuição do tamanho da região aqueci-da. Além disso, a resistência térmica do termossifão plano se mostrou competitiva quando comparada com as de outros tubos na literatura. Por fim, o modelo de resistências equivalentes previu a resistência térmica do termossifão com erro quadrático médio (diferença entre os da-dos teóricos e experimentais) que variou de 5,80% a 37,80%.

Abstract: In this study, a novel flat thermosyphon was conceived to operate as thermally active chassis walls of avionics enclosures. The flat thermosyphon, specifically designed to operate in verti-cal orientation, has the dimensions: 320 x 193 x 24 mm and consists of nine 316L stainless steel plates stacked and diffusion bonded. A theoretical model based on a thermal resistance network was created to predict the total thermal resistance of the dispositive. The flat ther-mosyphon was fabricated and tested under five different heating conditions, allowing for the study of the influence of the heater size and position on its thermal performance. Heat was added to the evaporator by aluminum heater blocks (50 x 50 mm) within which internal car-tridge resistances are lodged, and it was extracted from the condenser by natural convection. Four filling ratios were tested (7.5%, 15%, 30% and 50%). The empty thermosyphon, in which only conduction heat transfer takes place, was also tested for comparison purposes. The input power varied from 15W to 60W. In total, the novel device was tested under fifteen different configurations. Test results are presented in terms of the temperature evolution with time, the thermal resistance (one-dimensional and spreading) and the temperature uniformity on the condenser surface. The filling ratio severely influenced the thermal performance of the device. The thermal resistance varied from 0.047 to 0.327 ºC/W for tests with the optimum filling ra-tio of 7.5 %. The increase in input power improved the thermal performance of the flat ther-mosyphon, whereas the decrease in heater size negatively affected it. The thermal resistance results showed that the spreading is the dominant and that this dominance increases with the decrease in heater size. In addition, the thermal resistance of the novel flat thermosyphon was proved competitive when compared to other flat heat pipes studied in the literature. At last, the theoretical model predicted the thermal resistance of the flat thermosyphon within reason-able error: the root mean square error between the theoretical and experimental data ranged from 5,80% to 37,80%.