UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE UM TUBO DE CALOR

por

Felipe da Silveira Espindola

Ricardo Valladão Soares

Trabalho Final da Disciplina de

Medições Térmicas

Porto Alegre, dezembro de 2007

2

RESUMO

Neste trabalho apresenta-se um estudo do comportamento da temperatura de um elemento

dissipador de energia com e sem a presença de um dispositivo de extração de calor, tubo de ca-

lor. As medições de temperatura são tomadas nas duas faces do dissipador num intervalo de tem-

po com o intuito de analisar qualitativamente a eficiência do tubo de calor. A presença do tubo

mostrou significativa redução na temperatura do dissipador, especialmente, para alta potência

dissipada.

Palavras- chave: Tubo de calor, Dissipação de energia, Comportamento Térmico, Eficiên-

cia Térmica.

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ABSTRACT

“Evaluation of the efficiency of a heat pipe”

In this work it is a study of the temperature behavior of an energy dissipator with and with-

out the presence of a device for extracting heat, heat pipe. Temperature measurements were taken

on both sides of dissipator by a period of time in order to qualitatively analyze the efficiency of

the heat pipe. The presence of the tube showed significant reduction in the temperature of the

dissipator, especially for high-power dissipates.

Keywords: Heat pipe, Dissipation of Energy, Thermal Behavior, Thermal Efficiency.

4

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO................................................................................................................................................... 5

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................................................................... 5

3 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS........................................................................................................................ 6

3.1 MATERIAIS..................................................................................................................................................... 6 3.2 PROCEDIMENTOS........................................................................................................................................... 7 3.3 INCERTEZAS................................................................................................................................................... 9

4 RESULTADOS.................................................................................................................................................... 9

5 CONCLUSÕES ................................................................................................................................................. 12

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................ 13

7 LISTA DE SIMBOLOS.................................................................................................................................... 13

5

1 INTRODUÇÃO

O presente trabalho abordará os tubos de calor que são equipamentos de arrefecimento

térmico de componentes eletrônicos utilizados em notebooks e computadores em geral. Estes

dispositivos tiveram seu uso acentuado face ao anseio da população por equipamentos eletrôni-

cos cada vez menores e por conseqüência uma alta energia dissipada e superaquecimentos dos

componentes. Os dutos de calor funcionam em um ciclo bifásico fechado de condensação e eva-

poração e podendo ainda ter aletas que trocam calor com o meio externo. O estudo em questão

pretende analisar o comportamento da temperatura de um elemento dissipador de energia e com

isso de forma qualitativa inferir sobre a eficiência do tubo de calor. Para tal, realizou-se um expe-

rimento em laboratório para aferir, por meio de sensores termopares, a temperatura do dispositi-

vo dissipador.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Tubos de calor são dispositivos de troca térmica através do calor latente de vaporização de

um fluido de trabalho tendo o seu lado quente ligado a uma fonte de calor e o lado frio conectado

a um dissipador de calor para o ambiente, por exemplo, aletas. O tubo é constituído de um eva-

porador e um condensador sendo que o no evaporador ocorre a evaporação do fluido que segue

até o condensador e após retorna ao evaporador pelo efeito capilar fechando o ciclo termodinâ-

mico.

A resistência térmica de um tubo de calor é bastante baixa se comparada com outros dispo-

sitivos de transporte de calor, porque as transferências internas de calor se dão por mudanças de

fase, que não provoca quedas de temperatura. Isto é, a diferença de temperatura entre as extremi-

dades do tubo de calor é mínima. O tubo é hermeticamente fechado e o ciclo é repetido continu-

amente e o calor é carregado do evaporador para o condensador na forma de calor latente de eva-

poração. O fluido de trabalho deve ser compatível com a faixa de temperatura que o tubo irá ope-

rar e com o material que constituirá a estrutura capilar a qual é responsável por gerar pressão

capilar e organizar o fluido no evaporador do tubo. A Figura 1 a seguir mostra o princípio de

funcionamento de um tubo de calor.

6

Figura 1: Princípio de Funcionamento de um tubo de calor (Fonte: PETERSON, 1994).

Na figura 1 acima observar -se o ciclo de funcionamento do tubo de calor o qual consiste

em vaporização do fluido que escoa por efeito de capilaridade até a região de condensação e

então retornando ao vaporizador fechando o ciclo.

3 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

3.1 Materiais

Para o desenvolvimento deste experimento utilizamos um tubo de calor fornecido pelo pro-

fessor, o qual consiste de um tubo de calor ligado a uma placa de contato numa extremidade e a

um conjunto de aletas na outra, conforme mostrado na Figura 1 abaixo.

Figura 4: tubo de calor utilizado no experimento.

A fonte de calor escolhida foi uma resistência elétrica de 2,4Ω, feita sob encomenda para

operar nas condições fornecidas pela fonte de tensão existente no laboratório, 12Ve 5A, o que

resulta em uma potência máxima de 60W. Essa fonte está ligada a um variador de corrente que

opera entre 0 e 5A.

7

Para realizar as medições de temperatura utilizaram-se dois termopares tipo K e um equi-

pamento de aquisição de dados do laboratório. Os termopares foram colados às superfícies da

resistência com cola Araldite®.

Para obtermos um melhor contato térmico entre a face da resistência e a placa de contato

do tubo de calor, utilizamos uma pasta térmica comumente utilizada em situações reais onde um

bom contato térmico garante uma melhor troca de calor entre os objetos.

A bancada de teste foi montada sobre um pedaço de madeira utilizando fibra de vidro como

isolamento térmico.

Figura 5: Bancada de teste montada para o experimento.

3.2 Procedimentos

O objetivo do experimento é qualificar a eficiência da troca térmica de um tubo de calor,

uma das maneiras de se fazer isso é quantificando a redução de temperatura obtida com o uso de

um tubo de calor sobre uma superfície aquecida, neste caso uma resistência elétrica. Para isso

utilizamos dois termopares, cada um fixado a uma face da resistência (Superior e Inferior).

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Desta forma é possível avaliar a diferença entre as temperaturas das faces, sendo que esta

pode ser atribuída ao uso do tubo de calor sobre uma delas.

O procedimento adotado tem por base o fato de que a resistência elétrica utilizada dissipa

calor a uma mesma taxa nas suas duas faces. Com o objetivo de validar esta hipótese, realizamos

medições da temperatura alcançada em ambas as faces para diferentes correntes aplicadas à resis-

tência, variando de 0,5 a 2,5A.

Para manter as condições de todos os testes as mais semelhantes possíveis, as medições fo-

ram realizadas com a resistência posta sobre a bancada, com uma camada de isolamento térmico

sob e sobre ela, esperando-se assim que os efeitos de convecção natural não interferissem no re-

sultado do experimento.

Outra condição necessária para o sucesso do experimento é que todos os testes fossem rea-

lizados com a resistência partindo de uma mesma temperatura ou o mais próximo possível, essa

temperatura variou entre 27 e 32°C. Por isso era necessário esperar o resfriamento da resistência

antes de se começar o teste seguinte.

Também tomou-se o cuidado de não extrapolar a temperatura suportada pela cola a qual

usamos para colar os termopares na resistência, seguindo especificações do fabricante.

Os mesmos testes realizados anteriormente apenas com a resistência operando, foram repe-

tidos desta vez com o tubo de calor em contato com a face superior da resistência, seguindo os

mesmos critérios, variando a corrente da fonte de 0,5 a 2,5A e com isolamento térmico aplicado

sobre o conjunto todo, como mostra a figura:

Figura 6: montagem para teste com o tubo de calor.

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3.3 Incertezas

O termopar tipo K utilizado tem, na sua faixa de tolerância classe dois, uma incerteza de

medição de ±2,5°C para temperaturas entre -40°C e 333°C. O equipamento de aquisição de da-

dos do laboratório tem um incerteza de medição de ±1°C quando utilizado um termopar tipo K.

Já no caso do multímetro, a sua incerteza de medição não faz parte da medição de temperatura,

foi usado apenas como um monitor da corrente de alimentação da resistência.

Pelo fato de este experimento ser qualitativo, as incertezas de medição não afetam direta-

mente o resultado, apenas indicam a qualidade da medição de temperatura realizada.

4 RESULTADOS

Os resultados obtidos com os testes realizados apenas com a resistência mostram primei-

ramente que, a concepção do experimento estava correta, pois as temperaturas das faces da resis-

tência permanecem bastante próximas. Foram observadas pequenas diferenças entre as tempera-

turas da face superior e inferior da resistência, supostamente decorrentes da montagem do expe-

rimento, onde a face inferior fica depositada sobre uma camada de fibra de vidro sobre a

madeira, aumentado assim a retenção de calor neste lado. O Gráfico 1, mostra este efeito

observado até mesmo com a resistência sem ser alimentada, a temperatura ambiente.

Nos testes em que a resistência foi alimentada com corrente foi possível perceber mais cla-

ramente o efeito da convecção natural sobre a face superior da resistência, obtendo-se por isso

diferenças maiores entre as temperaturas das duas faces.

Um ponto que deve ser lembrado é que no decorrer dos testes percebeu-se que diferente-

mente do que nos foi dito pelo fabricante da resistência, ela se aquecia sem parar, ultrapassando

muito a temperatura de 100°C especificada. Mesmo assim, ao ultrapassar o limite de temperatura

permitido para a cola utilizada notou-se que isso não causava nenhum problema ao experimento,

desde que os termopares continuassem fixados a resistência.

10

26,8

27,0

27,2

27,4

27,6

27,8

28,0

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 208 217 226 235 244 253 262 271 280 289 298

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(°C

)

Superior Inferior

Gráfico 1: temperatura das faces da resistência fora de operação, apenas posta sobre a ban-cada de testes.

O Gráfico 2 mostra as diferenças entre a temperatura inferior e a superior para cada nível

de corrente aplicada a resistência.

0

2

4

6

8

10

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14

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 208 217 226 235 244 253 262 271 280 289 298

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC

)

0,50A 1,00A 1,50A 2,00A 2,50A

Gráfico 2: diferenças entre a temperatura inferior e superior.

11

O segundo pico apresentado no gráfico para 2,5A é bastante curioso, pois ocorreu no exato

momento em que outro colega tocou sobre o isolamento térmico durante o teste, retirando ainda

mais calor da face superior da resistência, por isso a diferença entre as duas temperaturas aumen-

tou, gerando o referido pico no gráfico.

Os resultados obtidos nos testes com o tubo de calor mostram que ele realmente retira um

pouco do calor dissipado pela resistência, notou-se que a diferença entre as temperaturas das fa-

ces passou a ser maior para todas as intensidades de corrente aplicadas. O Gráfico 3 mostra as

diferenças entre a temperatura inferior e superior para os níveis de corrente aplicados nos testes

com uso do tubo de calor.

0

5

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15

20

25

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 208 217 226 235 244 253 262 271 280 289 298

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC

)

0,50A 1,00A 1,50A 2,00A 2,50A

Gráfico 3: diferenças entre a temperatura inferior e superior usando o tubo de calor.

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Percebe-se fundamentalmente que a temperatura máxima atingida na face superior anteri-

ormente, sem o uso do tubo de calor, é sensivelmente maior que a temperatura atingida com o

uso do tubo de calor.

Temperatura máxima na face superior Corrente aplicada Sem Tubo Com Tubo

Diferença

0,50 A 35,722 °C 34,229 °C 1,493 °C 1,00 A 57,405 °C 44,306 °C 13,099 °C 1,50 A 88,118 °C 59,294 °C 28,824 °C 2,00 A 129,785 °C 89,530 °C 40,255 °C 2,50 A 164,107 °C 124,499 °C 39,608 °C

Tabela 1: comparação entre as temperaturas máximas atingidas na face superior da resistência.

5 CONCLUSÕES

De acordo com o que foi discutido neste estudo percebe-se que o tubo de calor tem um e-

feito relevante no arrefecimento de objetos, o ciclo térmico bifásico que ocorre dentro dele tem

um grande potencial de retirada de calor de uma extremidade para a outra.

Avaliando o desempenho do tubo de calor nota-se, através dos gráficos, que existe um pico

na diferença da temperatura entre as faces da resistência, o que também é observado para a ope-

ração da resistência sem o tubo de calor conectado a ela, porém analisando-se o Gráfico 3 é pos-

sível observar que após o referido pico existe uma queda na diferença de temperatura que pode

ser interpretada como uma redução da eficiência do tubo de calor. Isso pode ser causado por uma

excessiva taxa de geração de calor pela resistência, o que causa um aquecimento generalizado em

todo o tubo de calor reduzindo sua capacidade de troca térmica.

A bancada de teste desenvolvida correspondeu às expectativas do grupo, foi possível reali-

zar o experimento em condições razoavelmente controladas e dentro dos erros experimentais

esperados. O efeito causado pela não uniformidade do isolamento térmico nas duas faces da re-

sistência foi percebido em todos os testes, contudo isso não reflete nos resultados finais.

No decorrer dos testes notou-se primeiramente que a resistência utilizada como fonte de ca-

lor, não possuía as especificações fornecidas pelo fabricante alcançando temperaturas muito su-

periores as esperadas e principalmente sem que um patamar final fosse estabelecido, ou seja,

após liga-la a fonte no laboratório observamos que sua temperatura subia sem dar sinais de esta-

bilização.

Existem vários pontos onde este experimento pode ser aperfeiçoado, como sugestão para

um avanço deste estudo acreditamos que a utilização de outro tipo de isolamento térmico poderá

auxiliar na obtenção de resultados com maior precisão. Outro ponto é a utilização de uma fonte

de calor com temperatura controlada, simulando melhor o comportamento de um componente

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eletrônico. Também pode ser avaliado o funcionamento do tubo de calor utilizando convecção

forçada, aplicando um ventilador sobre as aletas pertencentes ao tubo de calor, aumentando as-

sim a troca térmica entre o tubo e o ambiente.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

GEIER, M. Apresentação de um Método de Cálculo para a Análise da Performance Térmi-

ca de Dutos de Calor. 2004. 20f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia

Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, Porto Alegre, 2004.

7 LISTA DE SIMBOLOS

A – Ampère, unidade de corrente elétrica;

°C – Grau Celsius, unidade de temperatura;

V – Volt, unidade de tensão elétrica;

W – Watt, unidade de potência;

Ω – Ohm, unidade de resistência elétrica;