Simulação numérica para a queda de pressão e transferência de calor em escoamento monofásico em multimicrocanais retangulares

Abstract

Pesquisas desenvolvidas na área hidrodinâmica e térmica têm como foco maximizar a troca térmica entre a superfície de aquecimento e o fluido de trabalho para uma menor queda de pressão. Trocadores de calor baseados em microcanais são necessários, por exemplo, na refri-geração de componentes eletrônicos e, também, de células fotovoltaicas de alta concentração a fim de manter as mesmas em suas temperaturas ótimas de operação. Assim, analisar tanto a transferência de calor quanto a queda de pressão torna-se importante para um projeto de tro-cadores de calor compactos usando microcanais. Neste projeto foi desenvolvido um modelo para a solução da queda de pressão e transferência de calor em um escoamento monofásico utilizando um dissipador de calor de multimicrocanais. Modelou-se o escoamento do fluido refrigerante HFE-7100 e da água, no interior de microcanais de um trocador/dissipador de calor submetido a um fluxo de calor prescrito. Resultados de simulações computacionais obti-dos da discretização das equações governantes pelo Método de Volumes Finitos, através do software ANSYS Fluent, foram comparados com resultados analíticos de correlações encon-tradas na literatura e resultados experimentais de HFE-7100 obtidos pelo grupo de pesquisa Nest-n (Núcleo de Estudos em Transferência de Calor e Nanotecnologia, UNESP/FEIS) e resultados experimentais de água advindos de Ortegon et al. (2019). Uma análise do efeito de entrada e saída de fluido nos microcanais foi realizada e constatou-se a presença de turbilhões nos plenums de entrada e saída do trocador de calor. Para os resultados numéricos de HFE-7100, o modelo de escoamento laminar obteve um desvio médio absoluto de 22%, enquanto que para o modelo turbulento o MAEP foi de 8,4% para o número de Nusselt; para a queda de pressão obteve-se um MAEP de 19% e 15,6%, para o modelo laminar e turbulento, respecti-vamente. Para os resultados do escoamento monofásico de água, houve a necessidade de se realizar uma normalização para fins de comparação dos resultados; assim, para o número de Nusselt o MAEP foi de 21,4% e 6,2%, para o modelo laminar e turbulento, respectivamente. Para a queda de pressão, os resultados obtidos numericamente divergiram dos experimentais, fato esse devido a não uniformidade na alimentação na entrada dos microcanais.

Research carried out in the hydrodynamic and thermal area focuses on maximizing the thermal exchange between the heating surface and the working fluid for a lower pressure drop. Microchannel-based heat exchangers are necessary, for example, in the refrigeration of electronic components and also of high-concentration photovoltaic cells in order to keep them at their optimal operating temperatures. Thus, the analyses of heat transfer and pressure drop are important for the project of compact heat exchanger using microchannels. In this project, a model was developed to analyze the pressure drop and heat transfer in a single-phase flow using a multimicrochannel heat sink. The flow of HFE-7100 refrigerant fluid and water were modeled inside the microchannels of a heatsink with imposed heat flux. Simulation results obtained from the discretization of the governing equations by the Finite Volume Method, using the ANSYS Fluent software, were compared with analytical results of correlations found in the literature and experimental results of HFE-7100 obtained by the Nest- n (Núcleo de Estudos em Transferência de Calor e Nanotecnologia, UNESP/FEIS) and experimental results of DI-water from Ortegon et al. (2019). The configuration of the inlet and outlet plenums affected the flow distribution - flow instabilities were observed in the numerical simulation. For HFE-7100 and for the Nusselt numerical results, the laminar flow model presented an absolute mean deviation of 22% and, for the turbulent model, the MAEP was 8.4%; for the pressure drop, an MAEP of 19% and 15.6% were obtained for the laminar and turbulent model, respectively. For water single-phase flow, normalization was carried out in order to compare the numerical and experimental results; for Nusselt, the MAEP was 21.4% and 6.2%, for the laminar and turbulent model, respectively. Moreover, for the pressure drop, the results obtained numerically deviated from the experimental ones, due to the flow non‐uniformity through the microchannel entrance possibly related to the exchanger entrance configuration and imperfect flow passage.