Resfriamento Conjugado Convectivo-Condutivo de um Aquecedor Discreto num Canal de Placas Paralelas com Escoamento Laminar

Abstract

Neste trabalho, a transferência de calor conjugada convecção forçada-condução de um aquecedor 2D montado rente na placa inferior (substrato) de um canal de placas paralelas foi investigada numericamente, utilizando o método de Volumes de Controle. Uma taxa uniforme de geração de calor foi assumida no aquecedor e seu resfriamento ocorreu por meio de um escoamento laminar forçado com propriedades constantes sob condições de regime permanente. Na entrada do canal, o perfil de velocidade do escoamento era desenvolvido e o de temperatura era uniforme. Este problema está relacionado ao resfriamento de componentes eletrônicos montados numa placa de circuito impresso. Para um substrato adiabático, o resfriamento do aquecedor ocorre por convecção forçada. Entretanto, para um substrato condutivo, o problema foi caracterizado por um resfriamento conjugado convecção forçada-condução. Neste caso, há dois mecanismos para a transferência de calor do aquecedor para o escoamento fluido. Um por convecção forçada, diretamente da superfície do aquecedor em contato com o escoamento e outro, por condução através da interface substratoaquecedor. A transferência de calor a montante do aquecedor pré-aquece o ar antes que o escoamento alcance a superfície do aquecedor. Devido a este efeito de esteira térmica, é conveniente tratar a convecção diretamente da superfície do aquecedor ao escoamento através do coeficiente adiabático de transferência de calor – um descritor invariante da transferência convectiva de calor. As equações de conservação foram resolvidas numericamente dentro de um domínio único, que abrangeu as regiões do sólido e do fluido, através de um procedimento acoplado. Um processo iterativo de resolução da equação da energia no domínio conjugado foi empregado para obter a subdivisão da taxa de calor total gerada no aquecedor nos dois caminhos térmicos. Os resultados foram obtidos para números de Reynolds na faixa de 600 a 1900, correspondendo a velocidades médias de entrada do ar no canal de 0,5 m/s a 1,5 m/s. Os efeitos da razão entre as condutividades térmicas do substrato e do ar foram estudados na faixa de 0 (substrato adiabático) a 80, valores típicos de materiais de circuito impresso. A influência da espessura do substrato foi verificada de 1 mm a 5 mm. Os resultados indicaram dentro destas faixas, um aumento das taxas de transferência de calor do aquecedor para os substratos condutivos.