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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.18.2017.tde-03052017-160433
Documento
Autor
Nome completo
Cristian Alfredo Chávez Toro
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2016
Orientador
Banca examinadora
Ribatski, Gherhardt (Presidente)
Aguiar, Fernando Guimarães
Bandarra Filho, Enio Pedone
Cardoso, Elaine Maria
Tibiriçá, Cristiano Bigonha
Título em português
Transferência de calor e perda de pressão durante a ebulição convectiva de hidrocarbonetos em um dissipador de calor baseado em multi-microcanais
Palavras-chave em português
Dissipador de calor
Ebulição convectiva
Hidrocarbonetos
Microcanais
Refrigerantes naturais
Resumo em português
A presente tese envolve um estudo experimental da ebulição convectiva no interior de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais. Resultados experimentais para perda de pressão e coeficiente de transferência de calor foram levantados para os hidrocarbonetos R600a (isobutano), R290 (propano) e R1270 (propileno), fluidos com reduzido GWP (Global Warming Potential) e ODP (Ozone Depletion Potential) nulo. O desempenho termo-hidráulico destes fluidos foi avaliado em um dissipador de calor de cobre, contendo cinquenta canais paralelos com seção transversal retangular de 123x494 µm2 , 15 mm de comprimento e área de base de 15x15 mm2. Os experimentos foram realizados para fluxos de calor de até 400 kW/m2, velocidade mássica variando entre 165 e 823 kg/m2s, graus de sub-resfriamento do líquido na entrada da seção de testes de 5, 10 e 15°C e temperaturas de saturação de 21 e 25°C. Os dados experimentais foram amplamente analisados e discutidos, focando o efeito do fluido refrigerante. Oscilações dos sinais de temperatura e pressão foram analisadas parametricamente visando caracterizar efeitos de instabilidades térmicas. Adicionalmente, realizou-se análise comparativa de desempenho dos refrigerantes baseada na 2ª Lei da Termodinâmica. Os dados para hidrocarbonetos foram comparados com resultados de trabalhos prévios para o refrigerante R134a levantados na mesma seção de testes e utilizando a mesma bancada experimental. A partir destes dados, conclui-se que os hidrocarbonetos proporcionam coeficientes de transferência de calor superiores ao R134a. Em geral, o coeficiente de transferência de calor apresenta a seguinte ordem decrescente: R290, R1270, R600a e R134a. No entanto, o R290 necessitou superaquecimentos da parede superiores ao R1270 para iniciar o processo de ebulição. O refrigerante R1270 proporcionou perdas de pressão totais inferiores aos demais fluidos segundo a seguinte ordem decrescente: R600a, R134a, R290 e R1270. O refrigerante R1270 apresentou frequências de oscilação inferiores na temperatura da câmara de saída. Baseado na análise de desempenho da 2ª Lei da Termodinâmica, conclui-se que, as irreversibilidades devido ao processo de transferência de calor foram predominantes quando comparadas àquelas devido à perda de pressão. Através desta análise também constatou-se o melhor desempenho para o refrigerante R290.
Título em inglês
Heat transfer and pressure drop of hydrocarbon refrigerants during flow boiling in a microchannel array heat sink
Palavras-chave em inglês
Flow boiling
Heat sink
Hydrocarbons
Microchannel
Natural fluid
Resumo em inglês
The present thesis concerns an experimental study on flow boiling inside a microchannel array. Experimental results for two-phase pressure drop and heat transfer coefficient were acquired for the hydrocarbons R600a (isobutane), R290 (propane) and R1270 (propylene). These fluids present low Global Warming Potential (GWP) and null Ozone Depletion Potential (ODP). The cooling performance of these hydrocarbons were evaluated for a copper heat sink containing fifty parallel microchannels. The microchannels are rectangular with cross section of 123x494 µm2, 15 mm length and a footprint area of 15x15 mm2. The experimental evaluation was performed in a test facility located at the Laboratory of Thermal and Fluid Engineering of School of Engineering of São Carlos, University of Sao Paulo. The experiments were performed for heat fluxes up to 400 kW/m2, mass velocities from 165 to 823 kg/m2s, degrees of liquid subcooling at the test section inlet of 5, 10 and 15°C and saturation temperatures of 21 and 25°C. The experimental data were carefully analyzed and discussed focusing on the effects of the fluid on the heat sink thermal hydraulic performance. Fluctuations in the temperature and pressure were analyzed parametrically in order to evaluate thermal instability effects. Additionally, an exergy analysis was performed to evaluate the refrigerant efficiency during convective evaporation. Subsequently, the parametric effects and performance of hydrocarbons were compared with previous results for refrigerant R134a obtained in the same test facility and under the same experimental conditions. The refrigerant R290 provided heat transfer coefficients higher than R600a and R1270. However, R290 needed a degree of wall superheating for the onset of nucleate boiling higher than R1270. Based on the exergy analysis it was concluded that, the irreversibility associated to the heat transfer process are predominant compared with the irreversibility due to the pressure drop. According to the Second Law analyses it was also concluded R290 as the fluid providing the best performance.
 
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CA_Chavez_Toro.pdf (29.22 Mbytes)
Data de Publicação
2017-05-17
 
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