Analysis and optimization of heat sinks with top inlet of fluid

Abstract

Orientador: Carlos Alberto Carrasco AltemaniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Este trabalho foi desenvolvido a partir de uma revisão da literatura técnica sobre o projeto térmico de dissipadores de aletas retas com seção transversal constante, resfriadas por um escoamento de ar com a configuração de entrada de ar pelo topo. Diversos modelos foram comparados entre si e com alguns resultados experimentais. Devido a uma falta de concordância observada entre os resultados obtidos pelas correlações analisadas, tanto entre si quanto com as medidas experimentais disponíveis, simulações numéricas foram então efetuadas para avaliar a taxa de troca convectiva forçada de calor e a queda de pressão nos canais desses dissipadores de calor. As simulações foram efetuadas para uma faixa de vazões de ar no dissipador, considerando canais de tamanhos distintos e também o efeito de uma abertura parcial para a entrada de ar no topo do dissipador. Os resultados numéricos obtidos foram utilizados para avaliar o coeficiente convectivo médio nos canais do dissipador, baseado na temperatura média de mistura do escoamento de ar. Uma nova correlação foi então proposta para o número de Nusselt médio nestes canais, em função do número de Reynolds do escoamento de ar e de três parâmetros geométricos dos canais. A nova correlação foi comparada com os resultados das simulações efetuadas e também com alguns resultados experimentais disponíveis. Uma comparação adicional também foi efetuada com novos resultados experimentais obtidos no laboratório de pesquisa, com um dissipador térmico de placas paralelas e testado com a configuração de entrada de ar pelo topo. Embora este dissipador não satisfizesse exatamente todas as restrições geométricas impostas pela nova correlação empírica, os resultados experimentais obtidos foram compatíveis com as previsões da nova correlação. A correlação desenvolvida para o número de Nusselt médio nos canais desses dissipadores térmicos foi então utilizada para a sua otimização térmica. Três funções objetivo foram utilizadas com esta finalidade. A primeira buscou minimizar a resistência térmica do dissipador e as outras duas foram baseadas na Segunda Lei da Termodinâmica. Resultados preliminares da otimização apontaram para configurações geométricas semelhantes para as funções objetivo escolhidasAbstract: This work was developed from a review of the technical literature for the thermal design of parallel plates¿ heat sinks with uniform cross section cooled by airflow with the top inlet and side exit configuration. Several models from the literature were compared to each other and to some experimental results. Due to an observed lack of agreement of the literature correlations among themselves and also with the available experimental results, numerical simulations were then performed to evaluate the forced convective heat transfer in the channels of these heat sinks. The simulations encompassed a range of heat sink airflow rates, considering distinct channel sizes also the effect of a partial opening for the airflow entrance at the heat sink top. The obtained numerical results were employed to evaluate the average convective heat transfer coefficient in the heat sink channels, based on the flow mixed mean temperature as the reference. A new empirical correlation was then proposed for the average Nusselt number in these channels as a function of the airflow Reynolds number and three dimensionless channel geometric parameters. The new correlation was compared with the performed simulation results and also with some available experimental results. An additional comparison was also performed with new experimental results obtained in our Research Laboratory with a commercially available parallel plates¿ heat sink operating with the top inlet and side exit configuration. Although this heat sink did not satisfy exactly all the geometric constraints of the new empirical correlation, the obtained experimental results were compatible with the predictions of the new correlation. The correlation developed for the average Nusselt number in the channels of these heat sinks was then employed for their thermal optimization. Three objective functions were used for this purpose. The first one was to minimize the heat sink thermal resistance and the other two were based on the Second Law of Thermodynamics. Preliminary results with the objective functions presented similar geometric configurationsDoutoradoTermica e FluidosDoutor em Engenharia Mecânica141195/2013-4CNP