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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2020.tde-21072020-104504
Document
Author
Full name
Sabrina dos Santos Ferreira
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2020
Supervisor
Committee
Tibiriçá, Cristiano Bigonha (President)
Aguiar, Fernando Guimarães
Ribatski, Gherhardt
Scalon, Vicente Luiz
Souza, Leandro Franco de
Title in Portuguese
Investigação teórica-experimental do desempenho térmico de tubos de calor pulsantes poliméricos
Keywords in Portuguese
Escoamento bifásico
Investigação teórica-experimental
Tubo de calor oscilante
Tubo de calor pulsante polimérico
Abstract in Portuguese
Tubo de calor pulsante é uma classe de tubos de calor relativamente nova e que não necessita de estrutura capilar individualizada para transporte da fase líquida. Este tem sido considerado como dispositivo promissor no gerenciamento térmico, principalmente no que diz respeito à refrigeração de componentes miniaturizados. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo investigar teórica e experimentalmente o desempenho térmico dos tubos de calor pulsantes em função de seus parâmetros geométricos e operacionais. Uma bancada experimental foi desenvolvida de forma a facilitar a variação destes parâmetros, os quais incluíram, diâmetros internos de 1,6 mm e 2,0 mm, inclinação de -90º a +90º, número de voltas entre 1 a 80, fração de enchimento de 0 a 100% e temperaturas de evaporação entre 40 a 60ºC. O fluido utilizado foi o R134a e o material da parede do tubo de calor pulsante foi a poliamida, um polímero de baixo custo, flexível e que também permite a visualização dos padrões de escoamento. Modelos de resistência térmica, correlações da literatura, modelos dinâmicos e os limites de operação característicos de tubos de calor foram utilizados para o estudo teórico. Os resultados mostraram que os melhores desempenhos ocorreram com fração de enchimento de 60%, com diferenças de temperatura imposta entre o evaporador e condensador maior que 30ºC e inclinação do tubo de +90º (evaporador em baixo do condensador). O parâmetro número de voltas mostrou-se importante para reduzir o efeito da gravidade no desempenho destes dispositivos, sendo que valores acima de 40 voltas mostraram menos sensíveis a mudança da inclinação. Valores experimentais de condutividade térmica equivalente alcançaram níveis acima de 20 kW/m.K, nas condições de melhor desempenho e resistências térmicas da ordem 0,25 ºC/W foram medidas em condições de transporte de calor de 60 W. As correlações para previsão da resistência térmica do tubo de calor pulsante previram os dados experimentais com erro relativo médio absoluto entre 6,3 a 435%, dependendo da correlação utilizada. Novas correlações foram desenvolvidas apresentando desempenho entre 11% e 54%. Complementarmente, a modelagem de resistências térmicas desenvolvida neste trabalho previu os dados experimentais com erro relativo médio absoluto de 24%. De forma geral, este trabalho conseguiu mostrar que tubos de calor pulsantes poliméricos são dispositivos eficientes no transporte de calor e se projetado de forma adequada, podem ser operados em condições diversas, incluindo orientação horizontal, na qual a gravidade não contribui para efeito termossifão.
Title in English
A theoretical-experimental investigation on the thermal performance of polymeric pulsating heat pipes
Keywords in English
Oscillating heat pipe
Polymeric pulsating heat pipe
Theoretical-experimental investigation
Two phase-flow
Abstract in English
Pulsating heat pipe is a relatively new class of heat pipes that requires no individualized capillary structure for liquid phase transport. Such pipes have been considered promising devices for thermal management, especially regarding the cooling of miniaturized components. This doctoral thesis addresses a theoretical and experimental investigation on the thermal performance of pulsating heat pipes in function of their geometrical and operational parameters. An experimental bench specially designed enabled variations in such parameters, which included 1.6 mm and 2.0 mm internal diameters, + 90º to -90º inclination, 1 to 80 turns, 0 to 100% filling ratio, and 40 to 60ºC evaporation temperatures. The fluid used was R134a and polyamide, which is a low-cost and flexible material, was used on the wall of the pipes for the visualization of the flow patterns. The theoretical study was based on thermal resistance models, literature correlations, dynamic models, and the operating limits characteristic of heat pipes. According to the results, the best performances were achieved at 60% filling ratio, temperature differences between evaporator and condenser higher than 30 ºC, and 90º pipe inclinations (evaporator below condenser). The number of turns reduced the effect of gravity on the devices, and values above 40 turns were less sensitive to changes in inclination. Experimental values of equivalent thermal conductivity reached levels above 20 kW/m.K, under the best performing conditions, and 0.25 ºC/W thermal resistances were measured under 60W heat transport conditions. Correlations of the heat resistance of the pipes predicted experimental data with 6.3 and 435% absolute mean relative error, depending on the correlation used. New correlations developed showed performance between 11% and 54%. Complementarily, the thermal resistance modeling predicted experimental data with 24% absolute mean relative error. Overall, the polymeric pulsating heat pipes proved efficient heat-transport devices and, if properly designed, can be operated under various conditions, including horizontal orientation, in which gravity does not contribute to the thermosiphon effect.
 
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Publishing Date
2021-06-18
 
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