Dimensionamento de um dissipador de calor por método numérico com simulação computacional

Abstract

Os dispositivos eletrônicos correm o risco de avaria se estiverem submetidos a altas temperaturas, de modo que o uso de dissipadores de calor em tais aplicações são importantes para aumentar a vida útil e para preservar a integridade deles. Este projeto baseia-se no dimensionamento de dissipadores de calor por método numérico, visando os fenômenos de transferência de calor, sobretudo condução, convecção e radiação térmica, com simulação computacional no software COMSOL Multiphysics®. Em conjunto com este simulador, também foi utilizado o software Inventor® para a criação dos modelos de dissipador de calor e o programa Scilab para solucionar equações diferenciais ordinárias. O arranjo experimental do projeto consiste na análise do desempenho de resfriamento de uma resistência cartucho envolvendo sistemas dissipadores de calor com 6 e 2 aletas, de maneira que foram analisados o gradiente de temperatura e gráficos da temperatura em função do tempo para cada um deles e então, resultados experimentais, analíticos e simulados foram comparados. Para o sistema dissipador com 6 aletas, o coeficiente de transferência de calor esteve próximo do valor 7 W/m2.K, enquanto foi de 13 W/m2.K para o sistema dissipador com 2 aletas, indicando que ambos estavam sob convecção natural e que este parâmetro é bastante variável. Através das simulações dos dois sistemas, foi confirmado a lei de Newton do resfriamento, na qual diz que o aumento da área exposta ao fluido refrigerante externo (ar) potencializa a taxa de transferência de calor, pois o sistema dissipador de calor com 6 aletas apresentou o melhor desempenho de resfriamento com relação ao de 2 aletas, em que a temperatura máxima da resistência cartucho se estabilizou em 58,4 °C e para o sistema dissipador com 2 aletas, a temperatura máxima se estabilizou em 99,8 °C, uma diferença de 41,4 °C.

Electronic devices are at risk of breakdown if they are present at elevated temperatures, so the use of heat sinks in such applications is important to increase their useful life and preserve their integrity. This project is based on the dimensioning of heat sinks by numerical method, focusing on heat transfer phenomena, especially conduction, convection, and thermal radiation, with computational simulation in the COMSOL Multiphysics® software. In conjunction with this simulator, the Inventor® software was also used to create heat sink models and the Scilab program to solve common differences. The experimental arrangement of the project consists of analyzing the cooling performance of a cartridge heater involving heat sink systems with 6 and 2 fins so that the temperature gradient and graphs of temperature as a function of time for each of them were analyzed and then, experimental, analytical, and simulated results were compared. For the 6 fins heat sink system, the heat transfer coefficient was close to 7 W/m2.K, while it was 13 W/m2.K for the 2 fins heat sink system, indicating that both were under natural convection and that this parameter is very variable. Through the simulations of the two systems, Newton's law of cooling was confirmed, in which it says that the increase in the area exposed to the external cooling fluid (air) enhances the heat transfer rate since the heat sink system with 6 fins presented the best cooling performance compared to the 2 fins system, where the maximum temperature of the cartridge heater stabilized at 58.4 °C and for the 2 fins heat sink system, the maximum temperature stabilized at 99.8 °C, a difference of 41.4 °C. Keywords: