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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
BANCADA PARA COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISSIPADORES DE CALOR
por
Pablo Vinícius Bassani
Paulo Vinicius Faria
Pedro Vasata Sgarbi
William Brusius Jr
Trabalho Final da Disciplina de
Medições Térmicas
Porto Alegre, Junho de 2008
ii
BANCADA PARA COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISSIPADORES DE CALOR
RESUMO
Este trabalho compara a capacidade de retirar calor de diversos dispositivos utilizados para o
resfriamento de componentes eletrônicos. Através de uma bancada é construído um dissipador de
calor com uma potência constante (simulando um microprocessador de computador) onde se pode
facilmente acoplar diferentes sistemas de resfriamento e medir a temperatura em que o mesmo
estabiliza. Quanto menor essa temperatura melhor é o dispositivo de extração de calor. Os resultados
obtidos demonstram que um extrator com tubos de calor (heat pipe) é um pouco mais eficiente do os
convencionais sistemas de aletas com ventilador (cooler).
iii
ABSTRACT
“BENCH FOR COOLING SYSTEM COMPARISON”
This work compares the ability of withdrawing heat of several devices used to cool
electronic devices. Through a bench that produces a constant power (simulating a PC processor), it
is easy to install several different cooling systems and then measure the temperature at which the
system stabilizes. It is possible to say which cooling system is the best. The lower that temperature
is, the best is the device for extraction of heat. The result shows that a heat pipe type extractor is a
bit more efficient than the conventional systems of cooler and fins.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 1
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................................ 1
2.1. TEMPERATURA EM REGIME PERMANENTE ............................................................... 1
2.2. TUBOS DE CALOR.............................................................................................................. 2
2.3. EFICIÊNCIA DE SUPERFÍCIES ALETADAS ................................................................... 4
3. CONSTRUÇÃO DA BANCADA ................................................................................................ 5
4. PROCEDIMENTO EXPERMIENTAL ........................................................................................ 7
5. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO ................................................................... 8
6. RESULTADOS ............................................................................................................................. 8
6.1. SEM DISPOSITIVO DISSIPADOR DE CALOR ................................................................ 8
6.2. ALETAS DE ALUMÍNIO ..................................................................................................... 9
6.3. DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR LATERAL ......................................... 10
6.4. DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR NA PARTE SUPERIOR .................... 11
6.5. TUBO DE CALOR I ........................................................................................................... 12
6.6. TUBO DE CALOR II .......................................................................................................... 13
7. CONCLUSÕES ........................................................................................................................... 15
8. REFERÊNCIAS .......................................................................................................................... 16
v
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área [m²]
Qcond Calor retirado por condução [W]
Qconv Calor retirado por convecção [W]
Qg Calor gerado [W]
Qrad Calor retirado por radiação [W]
Qs Calor saindo de um volume de controle [W]
h Coeficiente de convecção com o ar [W/m²K]
Lc Comprimento característico [m]
Lf Comprimento da base até a ponta da aleta [m]
k Condutividade térmica do material [W/m²K]
w Espessura da aleta [m]
N Números de aletas [adimensional]
Ta Temperatura do ambiente [K]
Ti Temperatura interna [K]
σ Constante de Stefan-Boltzmann [5,67×10-8 W/m2K4]
ηa Eficiência de uma aleta [adimensional]
ηo Eficiência global da superfície aletada [adimensional]
ε Emissividade do material [adimensional]
1
1. INTRODUÇÃO
A tecnologia de miniaturalização de componentes eletrônicos traz enormes vantagens em
relação à velocidade de execução de tarefas e uma maior portabilidade dos mesmos. Porém, essa
tecnologia esbarra num grande problema que é a extração do calor gerado pelos dispositivos
eletrônicos. Equipamentos cada vez menores e mais potentes requerem métodos melhores para
retirada de calor e para suprir essa necessidade, novas tecnologias em componentes para dissipação
do calor estão sendo postas à venda para o consumidor.
Torna-se importante comparar o desempenho desses novos equipamentos. Para isso foi
desenvolvida uma bancada onde é possível comparar de modo relativamente simples esses
dispositivos. Com uma análise centrada na temperatura dos componentes foi realizada a comparação
entre cinco arranjos de aparelhos extratores de calor.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. TEMPERATURA EM REGIME PERMANENTE
Extratores de calor podem funcionar por diversos princípios. Uma aleta, por exemplo,
aumenta a superfície de contato. Para um ventilador, a função é de aumentar a taxa de remoção de
calor por convecção. Materiais que têm uma condutividade térmica elevada melhoram a troca de
calor por condução.
Para estudar o desempenho de diferentes trocadores de calor é conveniente utilizar um método
que seja comum para todos. O método escolhido por nesse trabalho é o de medir a temperatura (em
regime permanente) do componente a ser aquecido. Uma menor temperatura em regime permanente
significa uma melhor retirada do calor.
Levando em consideração um volume de controle onde calor Qg é gerado dentro dele e que
calor Qs é retirado. O calor gerado e a temperatura ambiente (Ta) são constantes. Um esquema disso
é mostrado na Figura 1 abaixo:
Figura 1 - Volume de controle em regime permanente.
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Esse sistema estará em regime permanente na condição em que Qg = Qs e quando isso ocorrer
nosso volume de controle estará a uma temperatura interna (Ti) definida.
Pelas equações de condução (Equação 1), convecção (Equação 2) e radiação (Equação 3):
)( aicond TTAkQ −⋅⋅= (1)
)( aiconv TTAhQ −⋅⋅= (2)
)( 44airad TTAQ −⋅⋅⋅= εσ (3)
onde A é a área de contato (m²), k é a condutividade térmica do material (W/m²K), h é o coeficiente
de convecção (W/m²K), Ta é a temperatura ambiente (K), Ti é a temperatura interna (K), ε é a
emissividade do material e σ é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10-8 W/m2K4).
Então, obrigatoriamente, aumentando h, ε, ou k e deixando Q, A e Ta constantes estaremos
reduzindo Ti. E isso prova que podemos comparar os desempenhos pela temperatura do sistema
estabilizado (em regime permanente).
2.2. TUBOS DE CALOR
Um tubo de calor consiste em um mecanismo de troca de calor que pode transportar grandes
quantidades de calor entre interfaces quentes e frias com uma diferença de temperatura muito
pequena, o que o torna altamente eficiente. Ele é um tubo metálico fechado em ambas as
extremidades e com uma estrutura porosa recobrindo as suas paredes internas. O tubo é evacuado e
preenchido com certa quantidade de fluido de trabalho, menor que o volume interno do tubo.
Sua operação ocorre em um ciclo bifásico fechado, onde na região do evaporador, o calor é
fornecido ao tubo, fazendo com que o fluido se vaporize. O fluido é então transportado através do
tubo por diferença de pressão para a região mais fria, o condensador, onde o calor é rejeitado. Neste
processo de rejeição, o fluido de trabalho é condensado, e retorna para o evaporador por efeito de
capilaridade através da estrutura porosa da qual são feitas às paredes do tubo. O principio de
funcionamento do tubo do calor é mostrado na Figura 2.
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Figura 2 - Princípio de funcionamento de um tubo calor. (Fonte: http://www.labsolar.ufsc.br)
Devido ao fato de a operação se basear na vaporização e condensação do fluido, a seleção
deste deve ser bastante criteriosa na construção do tubo de calor, ou seja, sua temperatura de
ebulição deve se adequar a temperatura ao nível de temperatura de operação. Além disso,
propriedades como a molhabilidade e tensão superficial também devem ser avaliadas.
A principal diferença entre o tubo de calor e o termossifão é que este não tem a estrutura
porosa interna para retornar o líquido condensado para o evaporador. Neste caso, quem faz o retorno
do líquido para o evaporador é a gravidade. Por isso os termossifões não podem operar nem na
horizontal, nem contra a gravidade e muito menos em ambientes sem gravidade como é o caso de
satélites. A vantagem do termossifão é a sua maior simplicidade, uma vez que não existe a
necessidade de uma estrutura porosa.
Figura 3 - Detalhe das ranhuras internas de um tubo de calor. (Fonte: http://www.labsolar.ufsc.br)
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2.3. EFICIÊNCIA DE SUPERFÍCIES ALETADAS
Uma medida do desempenho de uma aleta é a sua eficiência, que leva em conta o fato de que a
taxa máxima de energia na qual uma aleta poderia dissipar é a taxa que existiria se toda a superfície
estivesse na temperatura da base. Porém, essa condição é apenas uma idealização, já que um
gradiente de temperatura deve existir, uma vez que a aleta é uma resistência condutiva finita. A
equação para obtenção da eficiência de uma aleta está descrita na Equação 4 abaixo:
C
Ca mL
mL )tanh(=η (4)
4wLL fC += (5)
kwhm 4= (6)
onde h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²K), k é a condutividade do
material (W/m²K), w é a espessura da aleta (m), Lc é o comprimento característico (m) e Lf é o
comprimento da base até a ponta da aleta.
Esta eficiência de aleta caracteriza o desempenho de apenas uma única aleta. Para descrever
um conjunto de aletas e a base à qual elas estão fixadas deve-se calcular a eficiência global da
superfície ηo conforme a Equação 7:
t
a
aoA
NA)1(1 ηη −−= (7)
onde ηa é a eficiência de uma aleta, N é o número de aletas, Aa é a área da superfície de cada aleta
(m²) e At a área superficial total (m²).
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3. CONSTRUÇÃO DA BANCADA
Utilizou-se uma bancada que já havia sido construída para um experimento anterior (Maidana
et al, 2007). Esta é constituída de três resistências de 87Ω ligadas em série. Esses resistores são
ligados diretamente na rede (~110V), dissipando uma potência de 46W. Esta potência é um pouco
inferior do que alguns componentes eletrônicos, porém para a análise escolhida pelo grupo ela tem
uma mesma validade para fins de comparação.
Essa bancada foi levemente adaptada para simular a situação de um processador de
computador real. A área de contato da fonte de calor teve de ser reduzida para ficar mais semelhante
à de um microprocessador. Para isso colocou-se uma chapa de cobre de 25x25mm com pasta
térmica na bancada original e isolaram-se as partes em redor com manta térmica visando forçar o
calor a fluir o máximo possível por essa placa de cobre. Um desenho e uma foto da montagem
podem ser visto nas Figuras 4 e 5.
Figura 4 - Foto da bancada.
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Figura 5 - Desenho da montagem da bancada.
Para a medição da temperatura foram utilizados termopares tipo K. Optou-se por fazer a
medição em dois pontos: um na base do aquecedor onde se esperam encontrar as temperaturas mais
altas. E outro perto da extremidade superior do aquecedor para ter uma idéia da temperatura no
extrator de calor que estará sendo analisado. Para instalação desse segundo termopar foi feito um
furo na placa de cobre a fim de conseguir captar a temperatura central.
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Os termopares são ligados em um sistema de aquisição de dados controlado por um software
computacional que registra as temperaturas dos termopares em intervalos de tempo. A ligação com o
sistema de aquisição pode ser visto na Figura 6.
Figura 6 - Sistema de aquisição de dados conectado ao experimento.
4. PROCEDIMENTO EXPERMIENTAL
A primeira etapa foi ter uma idéia da temperatura que a fonte de calor atingiria sem qualquer
dispositivo dissipador de calor. Para isso apenas foi ligada na alimentação. Após 15 minutos a
temperatura não apresentava variações significativas e foi considerada estabilizada.
O tempo de 15 minutos foi adotado como o tempo máximo para estabilizar a temperatura para
todas as outras medições. As etapas seguintes foram as de comparação entre os dissipadores, para
isso repetiu-se a primeira etapa, porém com cada extrator de calor instalado sobre a fonte de calor.
Através do sistema de aquisição de dados, foi realizada uma leitura a cada 3 segundos, em cada um
dos sensores. Com os dados obtidos, pôde-se gerar gráficos de temperatura x tempo para cada sensor
e com esses gráficos foram feitas as devidas análises.
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5. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO
De acordo com dados das tabelas ITS-90 para termopares, as incertezas associadas à leitura da
temperatura dos termopares tipo K correspondem a ±2,2°C ou 0,75% da leitura. Como os valores
medidos não chegaram a ultrapassar os 100°C, a incerteza adotada foi a de valor fixo.
O uso de cabos de compensação para medição da temperatura não influenciou
significativamente nos resultados, já que o objetivo era apenas realizar uma comparação entre as
temperaturas medidas e não o seu valor exato.
Portanto, o valor real da temperatura em cada uma das situações do experimento tem 95% de
probabilidade de se encontrar em torno do valor lido pelo software de aquisição de dados ±2,2°C.
6. RESULTADOS
Abaixo estão apresentados os resultados obtidos com os diferentes arranjos que foram
realizados durante os experimentos.
6.1. SEM DISPOSITIVO DISSIPADOR DE CALOR
Esta montagem foi utilizada como base na comparação com todas as montagens feitas. Uma
foto do arranjo pode ser vista na Figura 7 e o gráfico da temperatura x tempo obtido dos dados
exportados do programa de aquisição de dados pode ser visto na Figura 8.
Figura 7 - Experimento referência, sem dissipador de calor.
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Figura 8 - Variação da temperatura ao longo do tempo da bancada sem dissipador de calor.
6.2. ALETAS DE ALUMÍNIO
Montagem da bancada com uma superfície com base de 50x50mm, 16 aletas de 20 cm de
altura, de alumínio (k=210W/mK) colocada sobre a base de cobre da bancada utilizando pasta
térmica. A Figura 9 mostra uma foto do experimento e a Figura 10 mostra os resultados obtidos.
Figura 9 - Dissipador aletado de alumínio sem ventilador.
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Figura 10 – Gráfico temperatura x tempo para aletas de alumínio sem ventilador.
6.3. DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR LATERAL
Este arranjo foi montado com o cooler MTEK CB0355U. Informações sobre o mesmo não
estavam disponíveis na caixa do produto nem no site do fabricante (http://www.mtekpy.com). A
Figura 11 mostra uma foto da montagem e a Figura 12 mostra o gráfico dos resultados obtidos.
Figura 11 – Dissipador de calor MTEK de cobre com ventilador colocado na lateral.
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Figura 12 - Gráfico temperatura x tempo para dissipador de cobre com ventilador lateral.
6.4. DISSIPADOR DE COBRE COM VENTILADOR NA PARTE SUPERIOR
Esta montagem se assemelha muito com a anterior, a única mudança é que o ventilador foi
colocado na parte superior do dissipador, que é sua utilização mais comum. A Figura 13 representa
uma foto do arranjo e a Figura 14 mostra os resultados obtidos no experimento.
Figura 13 - Dissipador MTEK de cobre com ventilador em cima.
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Figura 14 - Gráfico temperatura x tempo para dissipador de cobre com ventilador em cima.
6.5. TUBO DE CALOR I
Nesta montagem utilizou-se o tubo de calor Cooler Silver Knight da fabricante Leadership. No
site do fabricante (http://www.leadership.com.br) foi verificado que o dissipador utiliza água para as
trocas de calor. A Figura 15 mostra uma foto da montagem e a Figura 16 mostra o gráfico dos
resultados obtidos.
Figura 15 - Foto da bancada com o tubo de calor modelo I.
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Figura 16 - Variação da temperatura ao longo do tempo da bancada com o tubo de calor I.
Percebe-se no gráfico dois picos de temperatura nos minutos 11 e 12 que foram provocados
pela desunião entre a base de cobre da bancada e a base do dissipador de calor.
6.6. TUBO DE CALOR II
Neste arranjo utilizou-se um tubo de calor da fabricante Cooler Master. Não foi possível
adquirir quaisquer informações sobre o dispositivo junto ao site do fabricante
(http://www.coolermaster.com.br). A Figura 17 mostra uma foto da montagem e a Figura 18 mostra
o gráfico dos resultados obtidos.
Figura 17 - Foto da bancada com o tubo de calor modelo II.
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Figura 18 - Variação da temperatura ao longo do tempo da bancada com o tubo de calor II.
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos foi montada a Tabela 1 abaixo em que se
pode comparar a temperatura final de estabilização dos dissipadores de calor.
Tabela 1 - Comparação da temperatura dos sistemas de dissipação de calor quando estabilizados.
Elemento Dissipador
Temperatura de estabilização no
termopar superior [°C]
Temperatura de estabilização no termopar inferior
[°C] Sem Dissipador 73 70 Aletas de Alumínio 60 60 Aletas de Cobre com Ventilador Lateral 35 40 Aletas de Cobre com Ventilador em Cima 32 38 Tubo de Calor I 38 43 Tubo de Calor II 31 38
Pela comparação que pode ser feita pela tabela, observa-se que o melhor desempenho foi
obtido pelo Tubo de Calor II em relação aos outros dispositivos testados.
15
7. CONCLUSÕES
Com essa bancada conseguiu-se mostrar a diferença da utilização de sistemas de resfriamento
para componentes eletrônicos. Porém, esperava-se um melhor desempenho dos tubos de calor frente
aos dissipadores mais comuns, até pelo motivo de justificar seu preço, que é muito mais elevado que
a convencional superfície aletada com ventilador.
A partir dos resultados obtidos, verificou-se que para uma mesma potência dissipada o melhor
dispositivo foi o Tubo de Calor II, do fabricante Cooler Master, seguido pela superfície aletada de
cobre com ventilado colocado em cima da MTEK.
Um dos motivos desse desempenho inferior ao esperado dos tubos de calor possivelmente se
encontra no fato da temperatura da fonte de calor não estar tão elevada a ponto de fazer o líquido do
dispositivo evaporar. Um dado simples que nenhum dos fabricantes disponibilizou. Sabe-se que a
troca de calor quando há mudança de fase é muito maior.
Fica e sugestão para trabalhos futuros a construção de uma bancada que estime a faixa de
potência de operação destes dispositivos. Outro ponto que pode ser abordado pelos grupos é a
construção de dissipadores com alta performance e de tamanho diminuto.
16
8. REFERÊNCIAS
Bertoldo Jr, J., Pasquotto, L.G., Bürger, V.S., 2007. “Análise da Eficiência da Dissipação de
Calor em Aletas com Ventilação Natural e Ventilação Forçada”, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Franco, A.O., Moura, A.S.N., de Leon, D.M., 2007. “Desempenho de um Tubo de Calor
Aletado”, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
Porto Alegre.
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., 2003. “Fundamentos de Transferência de Calor e de
Massa”, Quinta edição, Editora LTC, Rio de Janeiro.
Maidana, C.F., Marin, A., Adamski, R.M., Trindade, R.A., 2007. “Bancada para Medida de
Eficácia Térmica de Pastilhas de Efeito Peltier”, Departamento de Engenharia Mecânica,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Schneider, P. S., 2008. “Incertezas de Medição e Ajuste de Dados”, Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Schneider, P. S., 2008. “Termometria e Psicrometria”, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
http://www.coolermaster.com.br, acessado em 20/06/08.
http://www.labsolar.ufsc.br, acessado 08/06/08.
http://www.leadership.com.br, acessado em 20/06/08.
http://www.mtekpy.com, acessado em 20/06/08.
