Análise do escoamento monofásico de água em microcanais: desenvolvimento e caracterização de um trocador de calor para o resfriamento de sistemas eletrônicos

Há um interesse industrial na pesquisa e desenvolvimento em trocadores de calor de microcanais devido à necessidade de dissipação de calor em sistemas compactos. O resfriamento de componentes eletrônicos é um exemplo de aplicação que exige a dissipação do elevado calor gerado, garantindo uma temperatura de operação segura. Para o projeto de um trocador de calor de microcanais, busca-se a menor perda de pressão relacionada a máxima de transferência de calor e uma distribuição de temperatura adequada e uniforme. O presente estudo é dirigido para o desenvolvimento de um trocador de calor de microcanais para o uso em sistemas eletrônicos. O método de design construtal concomitante a uma busca exaustiva foram aplicados para encontrar o projeto de geometria com melhor desempenho, aquela que possibilita menores restrições ao escoamento. Para isso, uma geometria de canais retos e uma geometria de canais em Y com um nível de ramificação foram avaliadas e são comparadas através da simulação numérica, considerando velocidades, distribuição de temperatura, coeficiente de transferência de calor e perda de pressão, da mesma forma, que foram fabricadas, em impressão 3D, em uma liga de prata, e avaliadas em uma bancada experimental. Os trocadores de calor de microcanais são caracterizados com escoamento líquido de água, em estado monofásico. Os dados obtidos são de pressão, temperatura, vazão e potência. As características do escoamento são de escoamento laminar com Reynolds de 163 até 628, no intervalo de velocidade mássica de 355 até 1.388,5 kgm-2s-1 e fluxos de calor de 14 até 19 Wcm-2 para a geometria de canais retos. Para a geometria de canais em Y com um nível de ramificação, Reynolds ficou na faixa de 196 a 752, para a velocidades mássicas de 533 até 2.073,5 kgm-2s-1 e fluxo de calor de 16,5 a 23,5 Wcm-2. Na parte experimental foi possível estabelecer que a geometria de canais em Y possibilita uma maior transferência de calor com a maior diferença de pressão comparada à geometria de canais retos. Para a geometria de canais retos o coeficiente de calor convectivo foi de 14,2 kWm-2K-1 e a perda de pressão foi de 7,2 kPa, enquanto para a geometria de canais em Y o coeficiente de calor convectivo foi de 24,3 kWm-2K-1 e a perda de pressão foi de 15,9 kPa. Logo, o aumento de transferência de calor em troca do aumento da perda de pressão.