Resfriamento de placas por fluidos através de canais internos: análise da configuração e design construtal

A tecnologia de placas vascularizadas é umas das mais promissoras no campo das ciências térmicas e vem ganhando notoriedade pelo seu desempenho em aplicações voltadas ao arrefecimento e à refrigeração. O uso de tubos internos em forma de árvore, tubos paralelos e serpentinas são exemplos de abordagens encontradas utilizando este método de resfriamento de sólidos. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de uma configuração de tubo interno de alto desempenho, com base nos princípios da Teoria Construtal, com formato quadrado com uma reentrada central, que alcançasse tanto as extremidades, quanto o centro da placa. O material do sólido é inspirado em um substrato preenchedor de lacunas utilizado na indústria eletroeletrônica e o fluido de arrefecimento é a água. O sistema físico foi modelado computacionalmente como um domínio tridimensional, onde são válidas as equações de balanço de massa, quantidade de movimento e energia para um fluido newtoniano em regime laminar permanente. O Método Design Construtal foi empregado para definir o sistema, graus de liberdade, restrições, bem como o método de avaliação do sistema, conforme sua configuração é modificada com o objetivo de atingir o melhor desempenho térmico. Para a análise dos efeitos dos graus de liberdade e a busca das melhores configurações, foi empregado o método de superfície de resposta. Com a variação de três graus de liberdade, foram avaliados sistemas sujeitos a duas vazões de escoamento, caracterizando números de Reynolds de 100 e 1000. As configurações propostas foram resolvidas numericamente por fluidodinâmica computacional. Observou-se que o parâmetro que possui maior interferência no desempenho do sistema é o comprimento da tubulação na direção longitudinal, responsável por dar formas desde achatadas, com tubulação centrada ao centro do sólido, até formas quadráticas, onde a tubulação se estende até as extremidades do corpo aquecido. Os resultados obtidos permitiram a determinação de geometrias com ganhos de desempenho de até 44% dentre os casos simulados para Reynolds igual a 1000 e 7% para Reynolds igual a 100, seguindo as tendências projetadas pelos mapas de contorno de temperatura obtidos a partir do método de superfície de resposta adotado.