MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Medições Térmicas – ENG03108 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA DISSIPAÇÃO DE CALOR EM ALETAS COM VENTILAÇÃ O NATURAL E VENTILAÇÃO FORÇADA Jorge Bertoldo Junior Lucas Guerra Pasquotto Vicente Ströher Bürger Porto Alegre, Dezembro de 2007
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5/10/2018 aletas com e sem ventila o for ada - slidepdf.com
Este trabalho apresenta um estudo sobre a eficiência térmica de um dissipador aletado, com
sua base aquecida por uma resistência elétrica cerâmica. O estudo é realizado considerando-se em
um primeiro momento, o dissipador sob efeito de convecção natural e em um segundo momento sob
efeito de convecção forçada. Busca-se dessa forma, obter-se a eficiência térmica de uma única aleta
e a partir disso obter a eficiência térmica global da superfície aletada, para os dois processos de
transferência de calor. Por fim, os resultados são comparados e discutidos. A temperatura é lida em
termopares colocados na base do dissipador e na ponta de uma das aletas. A partir daí, consegue-se
ver a diferença de temperatura entre a base e a ponta das aletas, para determinar as propriedadesfísicas necessárias para calcular-se a eficiência com que o calor está sendo dissipado pelas aletas.
1 INTRODUÇÃO
Uma superfície aletada caracteriza-se pela transferência de energia por condução no interior
de suas fronteiras e transferência de energia por convecção entre suas fronteiras e a vizinhança. Esta
configuração é bastante utilizada quando se tem o objetivo de aumentar a transferência de calor
entre um sólido e um fluido adjacente.
A condutividade térmica do material da aleta possui um grande efeito sobre a distribuição de
temperatura ao longo da aleta e, portanto, apresenta grande influência sobre o grau de melhora da
taxa de transferência de calor. Idealmente, o material da aleta deve possuir uma condutividade
térmica elevada, de modo a minimizar a diferença de temperatura desde sua base até a extremidade.
Na condição limite, onde a condutividade térmica da aleta é infinita, toda ela estaria à mesma
temperatura de sua base, fornecendo assim o limite máximo possível de melhora na taxa de
transferência de calor.O processo de transferência de calor por convecção pode acontecer por convecção livre ou
convecção forçada. De acordo com a definição apresentada pelo livro “Fundamentos da
Transferência de Calor e Massa” do autor Frank Incropera: Convecção livre é denominada a
situação em que não existe velocidade forçada, embora a convecção corrente exista no interior do
fluido e são originadas quando uma força de corpo atua sobre um fluido no qual existem gradientes
de massa específica. O efeito líquido é a força de empuxo, que induz correntes de convecção livre.
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A montagem do experimento está baseada na seguinte configuração para convecção natural:
Figura 3: Montagem do Experimento para Convecção Natural
Sobre uma base de madeira, por ser este um material isolante, foram colocadas duas camadas
de fibra de vidro (aproximadamente de 4 mm), também um bom isolante de calor, isto para garantir
que o calor gerado no aquecedor resistivo fosse todo transferido por condução para o dissipador
aletado. Em torno do aquecedor colocou-se uma quantidade de lã de rocha para garantir que não
houvesse perda de calor pelas laterais de forma a aumentar a eficiência de aquecimento. A escolha
destes materiais como isolantes deve-se a estes apresentarem um baixo coeficiente de condução,madeira (0.03W/m*k), fibra de vidro (0.046W/m*k), lã de rocha (0.034W/m*k – 0.044W/m*k) e ao
seu fácil acesso, estando disponíveis no laboratório.
O aquecedor resistivo foi escolhido utilizando princípios simples de eletrônica, sendo que
não poderíamos solicitar mais de 5 A da fonte, do contrário ela queimaria. Encomendou-se em um
estabelecimento especializado uma resistência para dissipar no máximo 60 W. Assim solicitaríamos
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da fonte de tensão um potencial de 12 V e 5 A de corrente, e estaríamos entregando ao dissipador
um calor gerado de 60 W. Isso vem da expressão: P = V.I = Q onde:
P = potência dissipada pelo aquecedor
V = diferença de potencial entregue pela fonte
I = corrente solicitada da fonte
Q = calor dissipado pelo aquecedor resistivo
Para garantir o máximo contato entre o aquecedor resistivo e o dissipador foi colocado entre
os dois uma pasta térmica de alta condutividade semelhante a utilizada na montagem de conjuntos
processador-dissipador em microcomputadores.
Esta configuração apresentada até agora foi utilizada para o primeiro experimento, ou seja,verificar a eficiência térmica individual e global das aletas sob o processo de transferência de calor
por convecção natural. Para o segundo experimento foi colocado sobre o dissipador um ventilador
(cooler) semelhante aos usados em situações de trabalho desse dissipador em uma CPU, simulando-
se assim o processo de transferência de calor por convecção forçada.
Figura 4: Montagem do Experimento para Convecção Forçada
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• Análise da eficiência da transferência de calor em aletas sob convecção forçada:Cálculo do coeficiente de convecção h (W/m2*K):
sup inf
2
T T Tf
+= (11)
*Re
u H
υ
∞= (12)
11320.664*Re *Pr Nu = (13)
*S h Nu
k = (14)
Onde u∞ é a velocidade com que o ar sai do ventilador e sopra sobre as aletas. Re é o
número de Reynolds e define o tipo de escoamento que teremos. Os demais símbolos já foram
citados no item anterior.
As propriedades do ar estão baseadas no resultado da equação (11) e foram retiradas do livro
Fundamentos da Transferência de Calor e Massa, Frank Incropera.
Depois de calcular-se o coeficiente h, o procedimento de cálculo da eficiência das aletas e
eficiência global da superfície é o mesmo utilizado para o processo de transferência de calor por
convecção livre.
Também devem ser considerados junto aos resultados calculados as incertezas de medição a
partir dos valores de temperatura retirados do experimento e as incertezas dos instrumentos
verificadas nas tabelas fornecidas pelo fabricante (termopar tipo K = + 2,20C e termopar tipo J = +2,20C). O cálculo da incerteza de medição segue a metodologia apresentada abaixo:
12 2 2
1 ...1 1
V V Ur u un
X Xn
∂ ∂ = + + ∂ ∂
(15)
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Com base nesta comparação pode-se afirmar que os dados retirados do experimento são
coerentes e podem servir de parâmetro para o cálculo das eficiências térmicas.
Segue a seguir o comportamento das temperaturas no experimento, reproduzida por uma
simulação computacional.
• Convecção Livre:
Figura 8: Resultado da Simulação para Convecção Livre
Na Figura 8 observa-se o comportamento da distribuição de temperatras a partir dascondições de contorno usadas no experimento.
Observou-se uma diferença de temperatura entre a base e ponta das aletas, sendo que atemperatura na base mostra-se maior que a temperatura na ponta das aletas, assim caracteri-se adissipação de calor pela placa aletada, o que aconteceu no experimento.
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Figura 9: Resultado da Simulação para convecção forçada
Na Figura 9 observa-se o comportamento da distribuição de temperatras a partir dascondições de contorno usadas no experimento.
Observou-se uma diferença de temperatura entre a base e ponta das aletas, sendo que atemperatura na base mostra-se maior que a temperatura na ponta das aletas, assim caracteri-se adissipação de calor pela placa aletada, o que aconteceu no experimento. A diferença de temepraturanesta segunda simulação é diferente em função das condições de contorno utilizadas seremdiferentes das condições usadas na primeira simulação. Agora há a influência da convecção forçada.
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Com base nos resultados experimentais e analíticos chegou-se a duas importantes
conclusões:
• A eficiência térmica tanto individual de cada aleta quanto global do conjunto sob convecção
forçada é menor do que a eficiência sob convecção livre. Isto se explica pelo fato de que com o
aumento significativo do coeficiente convectivo cai à eficiência.
• A vantagem de usar a convecção forçada para dissipar o calor gerado por processadores está
em que o ar soprado pelo cooler evita que ocorra uma convergência da temperatura no dissipador
para grandes valores, evitando-se assim danos aos componentes por excesso de temperatura.As temperaturas lidas no ensaio não foram exatamente as mesmas que resultaram nas
simulações, explica-se isso por erros carregados pelas incertezas de medição, critérios de
arredondamento nos cálculos e condições de ensaio controladas dentro do possível, não sendo as
ideais.
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