Ebulição convectiva da água no interior de dissipadores de calor com diferentes arranjos de micropilares - Moreira, Ariany Pereira [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A necessidade de aumentar o desempenho termo-hidráulico durante a ebulição convectiva tem impulsionado o desenvolvimento de técnicas de aprimoramento da superfície aquecedora. Com o aumento da capacidade computacional e a diminuição do tamanho dos dispositivos, o fluxo de calor residual dos dispositivos eletrônicos tem aumentado cada vez mais. Com isso, pesquisas relacionadas a aplicações de mudança de fase em dissipadores de calor compactos, baseados em microcanais e micropilares, têm ganhado destaque nos últimos anos. O presente estudo investigou a eficiência térmica e hidrodinâmica de micropilares em sistemas de resfriamento, usando água deionizada como fluido refrigerante. O dissipador de calor consistiu de micropilares quadrados, fabricados por meio de microfresamento sobre uma superfície de cobre. Adicionalmente a uma superfície plana usada como referência, diferentes arranjos de micropilares foram analisados — alinhado e escalonado — para duas velocidades mássicas diferentes (1000 e 1200 kg/m²s) e dois níveis de subresfriamento do fluido na entrada do dissipador (10 e 20 °C), em relação à temperatura de saturação à pressão de entrada na seção de teste. A análise dos dissipadores de calor com micropilares revelou que essas superfícies melhoram significativamente o coeficiente de transferência de calor (CTC) em comparação às superfícies planas. Comparando os arranjos testados, os resultados mostraram que o arranjo alinhado proporciona maior CTC (em média 40%) e menor penalidade na queda de pressão. Uma diminuição na temperatura do fluido ao entrar no dissipador de calor promove um aumento no CTC devido à influência do processo de transferência de calor relacionado ao regime de ebulição nucleada. Porém, observa-se o fenômeno de secagem da superfície para fluxos de calor relativamente baixos (⁓300 kW/m²). Em relação aos aspectos fluidodinâmicos, a presença de vapor sobre a superfície resulta em um aumento exponencial na queda de pressão na região bifásica, sendo mais acentuado para a superfície escalonada. Por fim, é observado que a amostra alinhada apresenta melhores resultados para o regime bifásico, com atenuação dos efeitos negativos relacionados à queda de pressão; i.e., há uma maior estabilidade fluidodinâmica para esse arranjo de micropilares.

The need to increase thermo-hydraulic performance during convective boiling has driven the development of techniques to improve the heating surface. With the increase in computational capacity and the decrease in the size of devices, the dissipated heat flux from electronic devices has increasingly increased. As a result, research related to phase change applications in compact heat sinks based on microchannels and micro-pin fins has gained prominence in recent years. The present study investigated micro-pin fins' thermal and hydrodynamic efficiency in cooling systems using deionized water as the cooling fluid. The heat sink consisted of square micro-pin fins manufactured using micro-milling on a copper surface. In addition to a plain surface used as a reference, different micro-pin fins arrangements were analyzed — aligned and staggered — for two different mass velocities (1000 and 1200 kg/m²s) and two levels of fluid subcooling at the heatsink inlet (10 and 20 °C), in relation to the saturation temperature at the inlet flow. Analysis of heat sinks with micro-pin fins revealed that these surfaces significantly improve the heat transfer coefficient (HTC) compared to plain surfaces. By comparing the different arrangements, the results showed that the aligned arrangement provides higher HTC (on average 40%) and lower pressure drop penalty. A decrease in the inlet fluid temperature promotes an increase in the HTC due to the influence of the heat transfer process related to the nucleated boiling regime. However, the surface drying phenomenon is observed for relatively low heat fluxes (⁓300 kW/m²). Regarding fluid dynamic aspects, the presence of vapor on the surface results in an exponential increase in the pressure drop in the two-phase region, being more pronounced for staggered micro-pin fins surfaces. Finally, it is observed that the aligned sample presents better results for the two-phase regime, with attenuation of the negative effects related to the pressure drop; i.e., there is greater fluid dynamic stability for this micro-pin fin arrangement.
Convective boiling of water inside heat sinkers with different micro-pin fins arrangements
Keywords: Micropilares; Transferência de calor; Queda de pressão; Desempenho termohidráulico; Micro-pin fins; Heat transfer; Pressure drop; Thermo-hydraulic performance