Desenvolvimento de superfícies microporosas para intensificação da transferência de calor em ebulição em piscina

Abstract

Os avanços na indústria tecnológica têm demandado dispositivos de gerenciamento térmico capazes de dissipar altos fluxos de calor com restrições dimensionais cada vez maiores. Assim, os sistemas de resfriamento têm utilizado a transferência de calor envolvendo mudança de fase (ebulição) para substituir os que operam em regime monofásico. O desempenho da trans-ferência de calor por ebulição em piscina é afetado principalmente pela morfologia da superfí-cie de aquecimento e pelas propriedades do fluido de trabalho. As técnicas de modificação superficial têm recebido grande destaque, tais como micropilares e microcanais; no entanto, em altos fluxos de calor, o aumento do diâmetro das bolhas de vapor compromete a reposição de líquido saturado na base da superfície a ser resfriada. Nesse contexto, as espumas metálicas surgem como uma alternativa promissora para reduzir o superaquecimento da superfície e pos-tergar o fluxo de calor crítico por meio do bombeamento capilar dos poros. No entanto, a pre-sença de bolhas de diâmetros maiores em altos fluxos, juntamente com poros muito pequenos, limita a remoção do vapor da superfície. Portanto, é importante criar caminhos alternativos para a saída do vapor, o que pode melhorar o desempenho desse tipo de superfície, favorecen-do a microconvecção por meio do aumento da frequência de saída de bolhas de vapor que se formam junto à superfície, sem comprometer a reposição do líquido saturado. Este trabalho avalia a influência de microestruturas porosas de cobre no regime de ebulição nucleada da água deionizada, utilizando uma técnica de intensificação que combina os efeitos positivos de micropilares, microcanais e espumas metálicas, e soluciona o problema da secagem da superfí-cie. Para isto, foram testados micropilares quadrados com 1,5 mm de lado, 1 mm de espessura e espaçamentos de 0,5 e 1 mm; e microcanais com aletas porosas com larguras de 1,5 mm, es-paçamentos de 0,5 e 1 mm, e espessuras variando entre 1 e 3 mm. Em geral, microcanais com aletas porosas são alternativas melhores que micropilares por reduzirem a resistência à partida das bolhas sem comprometer o efeito de aumento da área de contato entre o fluido de trabalho e a superfície a ser resfriada. Quanto à influência da espessura das aletas porosas, espessuras menores que o comprimento capilar do fluido de trabalho promovem a partida das bolhas de vapor geradas na superfície de aquecimento, favorecendo assim a transferência de calor. Com isto, verificou-se que microcanais com aletas porosas com espessura de 1 mm podem promover uma intensificação de até 28% no coeficiente de transferência de calor em relação à espuma metálica uniforme.

Advancements in the technology industry have demanded thermal management devices capa-ble of dissipating high heat fluxes within increasingly tight dimensional constraints. As a re-sult, cooling systems have utilized phase-change heat transfer (boiling) as it is thermally more efficient than single-phase operation. The surface morphology and fluid properties primarily affect the pool boiling heat transfer performance. Surface modification techniques, such as micro-pin-fins and microchannels, have received more attention; however, at high heat fluxes, the enlargement of bubble diameter compromises liquid replenishment. In this context, metal foams are a promising alternative to reduce surface superheating and delay critical heat flux through capillary pumping; however, for high heat fluxes, larger bubbles and very small pores limit vapor removal from the surface. Therefore, it is important to create alternative pathways for vapor escaping, which can improve the performance of such surfaces by promoting micro-convection through increased bubble formation without compromising the liquid replenish-ment at nucleation sites. This work evaluates the influence of porous copper microstructures on the nucleated boiling regime of deionized water using an intensification technique that combines the positive effects of micropillars, microchannels and foams, solving the dryout problem. For this purpose, square micro-pin fins with a side of 1.5 mm, thickness of 1 mm and inter-fin spacing of 0.5 and 1 mm were tested, as well as microchannels with a side of 1.5 mm, inter-fin spacing of 0.5 and 1 mm and thicknesses ranging from 1 to 3 mm. Overall, porous microchannels outperformed micro-pin fins as they reduced the bubble departure resistance without compromising the enhanced liquid contact area effect. Regarding the influence of the thickness of the porous fins, thicknesses smaller than the capillary length of the working fluid promote the vapor bubbles departure generated on the heating surface, thus favoring heat transfer. Consequently, microchannels with 1 mm of thickness can increase the heat transfer coefficient by up to 28% compared to uniform foam.