Desenvolvimento de novas tecnologias para minitubos de calor: análise teórica e experimental

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.Neste trabalho propõe-se o estudo experimental e teórico de minitubos de calor híbridos, fabricados a partir da combinação de dois tipos de estruturas capilares: as ranhuras do tipo fios e placas, onde fios de cobre roliços são soldados por difusão a placas planas de cobre, e a tecnologia de meio poroso, onde pós metálicos são sinterizados. A fabricação dos minitubos utilizados neste trabalho foi desenvolvida no Laboratório de Tubos de Calor (LABTUCAL) em conjunto com o Laboratório de Materiais (LABMAT) desta universidade. Uma revisão bibliográfica sobre o estado da arte em minitubos de calor e de sua aplicação para o controle térmico de computadores portáteis é apresentada. Baseado em trabalhos da literatura especializada, foi desenvolvido um modelo hidrodinâmico acoplado a um modelo térmico unidimensional em regime permanente, para a previsão da máxima capacidade de transporte de calor e da distribuição da temperatura de parede do dispositivo. Os resultados dos modelos matemáticos foram comparados com resultados experimentais obtidos a partir de testes em laboratório, para minitubos carregados com metanol. Verificou-se também que o desempenho térmico dos minitubos de calor híbridos foi superior ao desempenho dos minitubos com estrutura capilar simples, do tipo fios e placas e sinterizado. Através desta constatação, um minitubo de calor híbrido em formato de "S" foi inserido em um computador portátil e testado com sucesso em uma situação real de uso. Este trabalho apresenta algumas contribuições para o estado da arte em minitubos de calor, dentre elas, o desenvolvimento de um novo tipo de configuração de estrutura capilar, cuja patente foi requerida; o desenvolvimento da metodologia de fabricação destes dispositivos; o desenvolvimento de modelo matemático que permitiu a análise da influência de parâmetros no seu desempenho térmico e resultados de testes dos dispositivos em ambiente de microgravidade. Para a parte sinterizada, estudos mostraram que o parâmetro mais importante é a permeabilidade do líquido no meio poroso, enquanto que para a parte ranhurada o parâmetro de grande influência é o ângulo de contato entre fluido e parede (metal). Procedimentos de medição de permeabilidade e a determinação do ângulo de contato mais adequado para a geometria fios e placas são também discutidos neste trabalho. Os testes em microgravidade dos minitubos de calor foram financiados pela Agência Espacial Brasileira (AEB) e fazem parte do Programa Microgravidade, que culminou no lançamento do foguete VSB-30 em dezembro de 2010 na base aérea de Alcântara/MAThis work presents an experimental and theoretical study of hybrid mini heat pipes, fabricated with a combination of two types of capillary structures: grooves, made of copper wires welded by diffusion to flat plates, and porous media technology, where metal powders were sintered. The mini heat pipes used in this study was developed at the Heat Pipes Laboratory (LABTUCAL) in partnership with the Material Laboratory (LABMAT). A literature review of the state of art of mini heat pipes and their application on laptop thermal control are presented. Based on a literature study, an one-dimensional steady state hydrodynamic model coupled to a thermal model was developed to predict the maximum heat transport capacity and wall temperature distribution. The results of the mathematical models were ompared with experimental results in mini heat pipes charged with methanol. The hybrid mini heat pipe showed a higher thermal performance than those devices with one single capillary structure as sintered and wire mini heat pipes. Through this confirmation, a hybrid mini heat pipe was inserted into a laptop computer and successfully tested. The main contributions of this work are: development of a new type of capillary structure configuration, whose patent was required; development of a fabrication methodology for these devices, development of a mathematical model to predict the maximum operational conditions and optimum designed parameters and the test results under microgravity conditions. Regarding the sintered part, studies have shown that the most important parameter is the determination of the liquid permeability in the porous medium, while, for the grooved part, the parameter of great influence is the contact angle. Procedures to determine the permeability experimentally and the most appropriate contact angle for the grooved geometry were also discussed in this work. The mini heat pipe tests under microgravity conditions were supported by Brazilian Space Agency (AEB) as part of the Microgravity Program, which culminated in the launch of the VSB-30 rocket in December of 2010 at the lcantara/MA Air Force base