Modelagem, simulaçao e otimizaçao numérica e experimental de sistemas de resfriamento de equipamentos eletrônicos e motores stirling

Abstract

Resumo: Esta tese trata do desenvolvimento de uma técnica alternativa para modelagem matemática, de uso geral em sistemas reais, aqui denominada de modelo de elementos de volume. A técnica se baseia na combinação de princípios de termodinâmica clássica com transferência de calor e mecânica dos fluidos, além da utilização de correlações analíticas e empíricas disponíveis na literatura, para simular o comportamento de sistemas térmicos reais. O capítulo 3 desenvolve a aplicação do modelo de elementos de volume em gabinetes que contém equipamentos eletrônicos com geração de calor, em regime de convecção natural. O modelo é implementado em um código computacional que reproduz aproximadamente o comportamento físico do sistema, que pode ser usado como uma ferramenta de simulação, projeto e otimização. Para duas configurações típicas, os resultados numéricos são comparados com resultados experimentais, e as distribuições de temperatura e umidade relativa do gabinete simulado são apresentadas. No capítulo 4, um estudo experimental comparativo entre dois sistemas de trocadores de calor, ar/ar e ar/água é desenvolvido, sendo que os dois sistemas foram instalados em um mesmo gabinete de referência que acondiciona elementos internos geradores de calor. A finalidade dos trocadores de calor é a retirada de calor do ambiente interno do gabinete, de modo que os equipamentos eletrônicos nele instalados possam operar abaixo de um nível máximo de temperatura especificado. Observou-se que o gabinete de referência operando com o sistema ar/água, originalmente desenvolvido nesta tese, apresentou uma temperatura média interna em regime permanente sempre inferior à temperatura média do mesmo gabinete operando com o sistema ar/ar. O capítulo 5 apresenta um estudo teórico, numérico e experimental para investigar a possibilidade de otimização da geometria de trocadores de calor enterrados para máxima transferência de calor. A primeira parte do capítulo identifica um princípio fundamental de otimização para maximizar a transferência de calor entre o tubo e o solo na sua vizinhança, o qual é esperado estar presente em qualquer projeto com trocadores de calor de tubos enterrados. A segunda parte do capitulo 5 apresenta uma aplicação prática do princípio desenvolvido: o modelo de elementos de volume é empregado para obter um sistema de equações diferenciais ordinárias no tempo, combinando a primeira lei da termodinâmica com correlações empíricas da transferência de calor para determinar o campo de temperatura dentro de um abrigo de eletrônicos que utiliza o trocador de calor ar-solo com tubos enterrados. Os resultados numéricos obtidos com o modelo de elementos de volume são validados através de comparação direta com medições de temperatura e umidade relativa. É mostrado que o comprimento do tubo pode ser otimizado de tal maneira que a máxima temperatura alcançada no interior do abrigo seja mínima. Os resultados também demonstram o potencial da utilização de tubos enterrados para resfriamento de pacotes eletrônicos. Uma vez que precisão e baixo tempo computacional são combinados, o modelo mostra-se eficiente e pode ser usado como ferramenta para simulação, projeto e otimização de pacotes eletrônicos resfriados por trocadores de calor enterrados. O capítulo 6 tem por objetivo apresentar o modelo de elementos de volume aplicado à simulação do comportamento termodinâmico de motores Stirling operando em regime transiente, em função de vários parâmetros geométricos e de operação envolvidos no projeto do motor. Grupos adimensionais apropriados são definidos a fim de apresentar os resultados de simulação para aplicação generalizada e, a partir do reconhecimento da disponibilidade finita de espaço é estabelecida uma restrição total de volume para alocação do motor. Desta maneira, procede-se a otimização da distribuição do espaço disponível para máxima eficiência do ciclo.

Abstract: This thesis introduces an alternative technique for developing mathematical models of physical systems, for general use in real systems, herein called volume elements model. The technique is based on the combination of classical thermodynamics principles with heat transfer and fluid mechanics, besides the utilization of empirical and analitical correlations, available in the literature, to simulate the behavior of real systems. Chapter three develops an application of the volume elements model on cabinets that contain electronic equipments with heat generation, in the natural convection regime. The model was implemented in a computational code that reproduces approximately the physical behavior of the system, which can be used as a tool for simulation, design and optimization. For two typical configurations the numerical results are compared with experimental results, and temperature and relative humidity fields of the gabinet are also presented. In chapter four, an experimental comparative study between two heat exchangers systems, air/air and air/water is developed, which were installed in the same reference cabinet that contains internal elements with heat generation. The heat exchangers objective is the heat removal from the cabinet internal ambient, in such a way that the electronic equipments installed may operate below a specified maximum temperature level. It was observed that the reference cabinet operating with the air/water system, originally developed in this thesis, shows an internal mean temperature during the steady state always smaller than the same cabinet mean temperature operating with the air/air system. Chapter five develops a theoretical, numerical and experimental study to investigate the possibility of optimizing the geometry of buried heat exchangers for maximum heat transfer. The chapter first part identifies an optimization fundamental principle to maximize the heat transfer between the tube and the surroundings, which is expected to be present on any design with buried tubes heat exchangers. The second part shows a practical application of the developed principle: volume elements model is used to obtain a system of ordinary diferencial equations in time, combining the first law of thermodynamics with heat transfer empirical correlations to calculate the temperature field inside of an electronics' shelter that uses an air/earth buried tubes heat exchanger. The numerical results obtained with the volume elements model are validated through direct comparison with temperature and relative humidity measurements. It is shown that the tube length can be optimized in such a way that the maximum temperature reached inside the shelter is minimum. The results also demonstrate the potential use of buried tubes to refrigerate electronic packages. Since precision and low computational time are combined, the model is shown to be efficient and can be used as a tool for simulation, design and optimization of electronic packages cooled by buried heat exchangers. The objective of chapter six is to develop the application of the volume elements model to simulate the thermodynamic behavior of Stirling engines in transient regime, as a function of geometric and operating parameters used for the engine design. Appropriate dimensionless groups are defined in order to generalize simulation results, and recognizing the finiteness of space availability, a total volume constraint for the engine packing is established. Under such conditions, it is conducted the optimization of the available space for maximum cycle eficiency.