Como escolher os melhores trocadores de calor compactos para resfriamento de eletrônicos

 

O uso de componentes de alta densidade de potência em produtos eletrônicos está aumentando rapidamente, tornando o resfriamento líquido uma solução viável para aplicações de alto fluxo de calor, o que atualmente é uma tendência importante. Entre outros fatores, um sistema de refrigeração líquida eficaz depende da capacidade de dissipação de calor do seu trocador de calor. Esses trocadores de calor variam em tipo, tamanho e configuração dependendo do cenário de aplicação.

 

 

I Construção Básica

 

A Figura 1 mostra um sistema típico de circuito fechado água-ar, resfriado por líquido. O refrigerante é bombeado através de uma placa fria em contato com os componentes do IC. O calor absorvido dos componentes é dissipado no ar através do trocador de calor, e o líquido resfriado continua pelo circuito, repetindo o ciclo.

 

▲ Figura 1. Circuito de resfriamento híbrido de água e ar para dispositivos eletrônicos

 

A fórmula para calcular o calor transferido da água para o ar é a seguinte:

 

Onde:

• Tw2: temperatura do fluido que entra no trocador de calor;
• Ta: temperatura do ar circundante do trocador de calor;
• Cmin: a menor entre as taxas de capacidade calorífica do ar (Ca) ou da água (Cw), que é o produto da vazão mássica e do calor específico a pressão constante;
• ε: a eficácia do trocador de calor, definida como a relação entre a transferência de calor real no trocador de calor e a transferência de calor máxima possível termodinamicamente.

 

A temperatura da superfície dos componentes IC em contato com a placa fria é calculada usando a fórmula 2.

 

 

Onde:

• Tw1 é a temperatura da água na entrada da placa fria;
• Rcp é a resistência térmica dos componentes IC à entrada da placa fria, incluindo a resistência da interface entre os componentes e a placa fria.

 

O aumento da temperatura da água devido ao calor dos componentes pode ser estimado usando a seguinte fórmula:

 

 

Onde:Cw é a taxa de capacidade térmica do líquido, que é o produto da vazão mássica e do calor específico do líquido.

Ao integrar as fórmulas 1-3, derivamos a fórmula 4:

 

 

Isto liga a temperatura da superfície dos componentes do IC ao desempenho da placa fria e do trocador de calor.

Nas equações acima, se diferentes tipos de fluidos forem utilizados no trocador de calor, os subscritos “w” e “a” deverão ser alterados para os subscritos gerais “c” e “h” para representar as propriedades dos fluidos frios e quentes, respectivamente. .

 

Área de superfície do trocador de calor

 

A área superficial do trocador de calor deve ser muito grande, principalmente no lado exposto ao ar. Isso ocorre porque o coeficiente de transferência de calor no resfriamento a ar é muito menor do que no resfriamento a líquido. Aumentar a área de superfície do lado do ar reduz a resistência térmica, permitindo maior transferência de calor entre o líquido e o ar.

 

Apesar da necessidade de grandes áreas de superfície para dissipar o calor de forma eficaz, muitos projetos não têm espaço suficiente para acomodar grandes unidades trocadoras de calor, especialmente em aplicações em nível de dispositivo para componentes e placas.

 

A escolha do trocador de calor apropriado dentro do espaço disponível é fundamental. Além disso, parâmetros como vazão mássica, uso de líquidos com calor específico mais alto ou aumento da potência do ventilador de resfriamento podem ser ajustados para melhorar o desempenho do resfriamento.

 

 

Tipos de aletas do trocador de calor II

 

O lado do ar dos trocadores de calor é normalmente equipado com aletas compactas para aumentar a troca de calor entre o ar e o líquido.

O tipo de aletas deve ser apropriado para o cenário específico de aplicação. O livroTrocadores de calor compactosintroduz vários tipos de aletas, incluindo aletas retas, aletas venezianas, aletas em tira, aletas onduladas e aletas de pino, conforme mostrado na Figura 2.

 

▲ Figura 2. Tipos de aletas do trocador de calor

 

Estudos testaram trocadores de calor resfriados a ar eforneceu diretrizes para otimizar o design das aletascombinando transferência de calor, queda de pressão, tamanho, peso e custo.

 

As correlações para usar o fator de Colburn (JH) e o fator de atrito (f) para descrever o índice de transferência de calor e o índice de queda de pressão são mostradas nas fórmulas 5 e 6.

 

 

 

 

Onde:ρ e v são a densidade do fluido e a viscosidade cinemática.

 

O número de Stanton (St) na fórmula 5 pode ser reescrito da seguinte forma:

 

 

Nas fórmulas 5-7, Pr, t, v, NU e Re representam o número de Prandtl, tensão de cisalhamento da parede, viscosidade cinemática do fluido, número de Nusselt e número de Reynolds, respectivamente.

 

A Figura 3 mostra a relação entre a razão (JH/f) e o número de Reynolds para as estruturas de aletas mostradas na Figura 2.

 

 

▲ Figura 3. Relação entre estruturas de aletas e número de Reynolds

 

Pode ser visto claramente na Figura 3 que quando o principal fator de projeto do trocador de calor é a transferência de calor por unidade de queda de pressão, as aletas retas são as mais eficientes, seguidas pelas estruturas de persianas, onduladas, tiras deslocadas e aletas de pino.

 

Sob várias condições de velocidade no ar, a resistência térmica das aletas retas foi a mais baixa.

 

Na Figura 4, a transferência de calor por unidade de altura e a relação do número de Reynolds indicam que as aletas de pino são a configuração mais adequada, seguidas por aletas venezianas, tiras deslocadas, onduladas e retas.

 

▲ Figura 4. Transferência de calor por unidade de altura para diferentes configurações de trocadores de calor

 

Outro fator importante de design é o peso. Por exemplo, a otimização de trocadores de calor usados ​​em sistemas aviônicos geralmente prioriza primeiro as aletas de veneziana, seguidas por designs de aletas onduladas, descentradas, de pinos e de aletas retas.

 

 

III Líquido refrigerante para trocador de calor compacto

 

Dependendo do sistema e da aplicação, pequenos trocadores de calor utilizam diferentes tipos de fluidos. Certos fluidos têm maior transferência de calor e difusão térmica mais eficaz por unidade de volume.

 

Para ilustrar isto, considere o transporte de calor devido à mudança de entalpia num sistema aberto, conforme mostrado na fórmula 8.

 

 

Onde:

 

 

(ρ é a densidade do fluido, V é a velocidade e A é a área da seção transversal), Cp é o calor específico a pressão constante.

 

Se a velocidade e a área da seção transversal forem consideradas constantes, Cp e ρ determinam a transferência de calor ao usar fluidos diferentes.

 

A Tabela 1 mostra os valores de Cp, ρ, μ e k para etilenoglicol, água e ar a 300K.

 

▲ Tabela 1. Propriedades termodinâmicas de refrigerantes típicos

 

A Tabela 1 mostra que fluidos com maior densidade e capacidade térmica podem remover mais calor. O uso de tais fluidos aumenta significativamente a transferência de calor em aplicações de alto fluxo de calor.

 

No entanto, a utilização de líquidos com melhores capacidades de transferência de calor requer maior potência da bomba para conduzir o fluido através do sistema.

 

Para reduzir a potência necessária para a circulação do refrigerante, o trocador de calor utiliza transferência de calor em ebulição.

 

Em alguns sistemas, o refrigerante absorve calor da fonte de calor e evapora.

 

Com base na complexidade do sistema, o refrigerante quente é bombeado através de uma seção condensadora com aletas, onde o refrigerante é resfriado e retorna à fase líquida.

 

Como o refrigerante muda de fase de líquido para gás e diminui em densidade, a potência de bombeamento necessária para a circulação do refrigerante é bastante reduzida.

 

À medida que os circuitos integrados avançam rapidamente, com componentes com maior densidade de potência, os trocadores de calor compactos estão se tornando essenciais em soluções de refrigeração eletrônica.

 

Para utilizar plenamente esses dispositivos, é importante compreender seus conceitos, benefícios e limitações. Para usar corretamente os sistemas trocadores de calor, fatores de projeto como queda de pressão, transferência de calor, tamanho, peso e custo devem ser priorizados.