Melhoria de desempenho e avaliação termodinâmica de dissipador de calor microcanal com diferentes tipos de nervuras e cones

Nov 12, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 10802 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O presente estudo tem como objetivo investigar o desempenho do dissipador de calor microcanal através de simulações numéricas, baseadas na primeira e segunda lei da termodinâmica. As características de transferência de calor e fluxo dos dissipadores de calor de microcanais retangulares foram melhoradas com a adição de seis tipos diferentes de intensificadores de superfície. As seções transversais incluem nervuras e cones retangulares, triangulares e hexagonais. Os cones foram criados a partir das mesmas seções transversais de nervuras, traçando-as em um ângulo de 45° ortogonal à base, o que deverá diminuir drasticamente a queda de pressão. O desempenho de nervuras e cones foi avaliado usando diferentes parâmetros como fator de atrito, tensão de cisalhamento da parede, taxa de geração de entropia, número de geração de entropia de aumento, resistência térmica e eficiência de transporte de energia térmica. Os resultados do presente estudo revelaram que o novo efeito do cone em um ângulo de 45° reduz as perdas por atrito (a queda de pressão máxima reduzida é de 85%), entretanto; foi demonstrado um compromisso no comportamento térmico (o número máximo de Nusselt reduzido é de 25%). Da mesma forma, a aplicação do cone causou uma redução significativa na tensão de cisalhamento da parede e no fator de atrito, o que pode levar à redução dos requisitos de energia de bombeamento. Além disso, as nervuras triangulares têm maior capacidade de transferir energia térmica do que as nervuras retangulares e hexagonais. Além disso, foi examinado no presente estudo que a tendência da taxa de geração de entropia total para nervuras triangulares diminui até Re = 400 e depois aumenta, o que significa que as perdas térmicas são mais significativas do que as perdas por atrito em números de Reynolds mais baixos. No entanto, as perdas por atrito dominam as perdas térmicas em números de Reynolds mais elevados, onde ocorre a geração de vórtices, especialmente em nervuras triangulares.

Os crescentes avanços tecnológicos em circuitos integrados levaram à geração de fluxo de calor crescente como resultado do acúmulo pesado de circuitos em tamanho mínimo . Consequentemente, resultou na procura de técnicas de arrefecimento eficientes, diferentes das formas tradicionais. O rápido desenvolvimento no campo dos sistemas microeletromecânicos motivou os pesquisadores a desenvolver novas técnicas de microresfriamento. Numerosas técnicas foram desenvolvidas anteriormente, incluindo micro-tubo de calor, micro-eletro-hidrodinâmico e dissipador de calor de microcanais6. Dentre essas técnicas, o dissipador de calor microcanal (MCHS) provou ser o mais eficiente. O estudo foi conduzido pela primeira vez por Tuckerman e Pease7 em 1981 mostrando a transferência de calor em dissipadores de calor de microcanais de silício. O estudo concentrou-se principalmente na capacidade de um dissipador de calor microcanal eliminar calor a uma taxa de 790 W/cm2. Eles descreveram que a maior área por volume de superfície fornecida pelo dissipador de calor aumentou significativamente a eficiência térmica. Os dissipadores de calor microcanais são as tecnologias de troca de calor mais avançadas que incorporam o fluxo de líquido monofásico. As aplicações de microcanais para fluxo de líquido monofásico são para fins de resfriamento de dispositivos eletrônicos, tecnologia aeroespacial e equipamentos de processo que utilizam tecnologia laser8.

Desde então, com a crescente necessidade de um dissipador de calor de microcanais, numerosos estudos experimentais e numéricos foram conduzidos para investigar os padrões de fluxo de calor em um microcanal retangular liso. Quando se trata de melhorar o desempenho térmico do MCHS, existem várias restrições que impõem limitações, como a queda de pressão através do microcanal, pois aumenta o consumo de energia de bombeamento e os riscos de vazamento. Além disso, o pequeno tamanho do canal torna o fluxo rígido na região linear, levando a um desempenho ruim em comparação ao fluxo irregular. Com o aumento contínuo do calor carregado e a necessidade atenta de medição de temperatura de peças eletrônicas, o canal básico linear é difícil de satisfazer a necessidade. Consequentemente, o foco dos estudos foi desviado para métodos e técnicas passivas que podem ser utilizadas para melhorar o desempenho da transferência de calor em microcanais. Por exemplo, Steinke e Kandlikar9 sugeriram várias técnicas que poderiam ser úteis para melhorar o fluxo de calor em microcanais. Uma das técnicas que vale a pena mencionar é incorporar os recursos de mistura para melhorar o fluxo de mistura, quebra da superfície limite para aumentar o coeficiente de transferência de calor local usando construção fragmentada.