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Título: Estudo experimental do desempenho térmico de estruturas capilares de pó de cobre sinterizado em tubos de calor
Título(s) alternativo(s): Thermal performance experimental study of copper powder sintered capillary structures in heat pipes
Autor(es): Krambeck, Larissa
Orientador(es): Alves, Thiago Antonini
Palavras-chave: Análise térmica
Capilaridade
Tubos de cobre
Tubos de calor
Sinterização
Thermal analysis
Capillarity
Tubes, Capper
Heat pipes
Sintering
Data do documento: 17-Set-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Ponta Grossa
Citação: KRAMBECK, Larissa. Estudo experimental do desempenho térmico de estruturas capilares de pó de cobre sinterizado em tubos de calor. 2018. 163 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2018.
Resumo: Tubos de calor são dispositivos passivos de transferência de calor conhecidos como supercondutores de calor, devido à utilização do calor latente de vaporização de um fluido de trabalho em um ciclo bifásico fechado. O tubo de calor é essencialmente constituído por três componentes: um invólucro, um fluido de trabalho e uma estrutura capilar. A estrutura capilar é responsável pelo bombeamento capilar do fluido de trabalho no interior do tubo de calor. No presente trabalho foi realizada uma avaliação experimental do desempenho térmico de estruturas capilares a partir de pó de cobre sinterizado em tubos de calor. Devido às suas características geométricas, os tubos de calor podem ser utilizados no arrefecimento de processadores de equipamentos eletroeletrônicos, inclusive os de aplicação espacial. Uma modelagem baseada nos limites operacionais (capilar, de arrasto, viscoso, sônico e de ebulição) foi proposta para os tubos de calor sinterizados e implementada no programa Engineering Equation SolverTM (EESTM). Os tubos de calor foram fabricados a partir de tubos de cobre com diâmetro externo de 9,45 mm, diâmetro interno de 7,75 mm e comprimento total de 200 mm. Três estruturas capilares de pó de cobre sinterizado com diferentes espessuras (Tipo #1, Tipo #2 e Tipo #3) foram fabricadas pelo processo de sinterização. O fluido de trabalho utilizado foi água destilada e cada tubo de calor foi testado com diversas razões de preenchimento. O condensador foi resfriado por convecção forçada de ar e o evaporador foi aquecido utilizando um resistor elétrico em fita e isolado do ambiente externo por um isolamento térmico aeronáutico. Os tubos de calor foram testados experimentalmente para inclinações de operação iguais a 0°, + 45°, + 90°, – 45° e – 90°, sob cargas térmicas compreendidas entre 5 W e 45 W. O pó metálico foi caracterizado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectrometria de Fluorescência de Raios-X por Dispersão de Energia (ED-XRF) e Granulometria por Difração a Laser. A estrutura capilar sinterizada foi caracterizada em relação a porosidade, permeabilidade, raio crítico e condutividade térmica. Os resultados experimentais de desempenho térmico dos tubos de calor sinterizados mostraram que o pó de cobre e o procedimento de sinterização utilizados foram adequados para aplicação em tubos de calor de cobre, uma vez que os tubos de calor funcionaram satisfatoriamente. O tubo de calor do Tipo #3 com uma razão de preenchimento de 100% do volume do evaporador apresentou o melhor desempenho, ou seja, a menor resistência térmica e menor temperatura de operação. Além disso, os tubos de calor sinterizados se mostraram mais eficientes em condições adversas de trabalho quando comparados com outros dispositivos passivos de transferência de calor (barra sólida, termossifão, tubo de calor com tela metálica e tubo de calor com ranhuras).
Abstract: Heat pipes are heat transfer passive devices known as heat superconductors, due to the use of the latent heat of vaporization of a working fluid in a closed two-phase loop. The heat pipe is essentially composed of three components: an involucre, a working fluid, and a capillary structure. The wick is responsible for capillary pumping of the working fluid inside the heat pipe. In the present work was carried out an experimental evaluation of the thermal performance of copper sintered capillary structures in heat pipes. Due to their geometrical characteristics, the heat pipes can be used in the cooling of processors of electronic equipment, including spatial application. A model based on the operational limits (capillary, trailing, viscous, sonic, and boiling limits) was proposed for the sintered heat pipes and implemented in Engineering Equation SolverTM (EESTM) software. The heat pipes were fabricated from copper tubes with an outside diameter of 9.45 mm, an inner diameter of 7.75 mm and a total length of 200 mm. Three capillary structures of sintered copper powder with different thicknesses (Type #1, Type #2 and Type #3) were manufactured by the sintering process. The working fluid used was distilled water and each heat pipe was tested for several filling ratios. The condenser was cooled by forced convection of air and the evaporator was heated by a tape electric resistor and isolated from the external environment by an aeronautical thermal insulation. The heat pipes were tested experimentally for operating inclinations equal to 0°, + 45°, + 90°, – 45° e – 90°, under thermal loads between 5 W and 45 W. The metallic powder was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-rayFluorescence Spectrometry (ED-XRF), and Laser Diffraction Granulometry. The sintered capillary structure was characterized in relation to porosity, permeability, critical radius, and thermal conductivity. The experimental results of the thermal performance of the sintered heat pipes showed that the copper powder and the sintering procedure used were suitable for application in copper heat pipes, since the heat pipes worked satisfactorily. The heat pipe Type #3 with a filling ratio of 100% of the evaporator volume presented the best performance, that is, the lower thermal resistance and lower operating temperature. In addition, sintered heat pipes have proven to be more efficient under adverse working conditions compared to other heat transfer passive devices (solid bar, thermosyphon, heat pipe with a screen wire and heat pipe with grooves).
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3749
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