Modelagem, simulação e otimização de sistemas de gerenciamento térmico de equipamentos eletrônicos

Abstract

Resumo: Ao usar gabinetes para proteger dispositivos eletrônicos, como gabinetes de telecomunicações, gabinetes de computador e bases de servidores, é necessário usar sistemas de dissipação de calor, pois os equipamentos eletrônicos alocados dentro dos gabinetes dissipam calor durante uma operação. Esse aumento de temperatura, se não controlado, reduz a eficiência e a vida útil do equipamento. Para resolver esse problema, a modelagem matemática e a simulação computacional é uma possível rota a seguir, a qual trata-se de uma metodologia que permite análises ao longo das diversas fases de um projeto. Portanto, este estudo investiga experimentalmente a capacidade de uma metodologia de simulação computacional simplificada para avaliar a resposta térmica de gabinetes de embalagens eletrônicas. Basicamente, respostas rápidas e precisas no design do sistema do primeiro estágio são cruciais para a tomada de decisão. A abordagem produz um modelo matemático 3D generalizado, isto é, o modelo de elemento de volume (MEV), que permite diferentes fases dentro do domínio da solução (por exemplo, sólido e gás). As leis físicas da conservação, juntamente com as correlações empíricas e teóricas disponíveis, são a base do modelo. Dessa maneira, apenas um conjunto de equações diferenciais ordinárias algébricas e dependentes do tempo é necessário para obter a variável espacial do processo (por exemplo, temperatura), distribuição espacial e resposta transitória. Foram realizados experimentos em laboratório para medir a resposta térmica de um gabinete (2048 × 1974 × 850 mm) contendo uma única fonte de calor. Um primeiro conjunto de dados experimentais com uma fonte de energia de 1600 W foi usado para o ajuste do modelo pela solução do problema inverso de estimativa de parâmetros (IPPE), no qual os parâmetros de ajuste selecionados foram as velocidades médias do ar dentro do gabinete. Em seguida, um segundo conjunto experimental com uma fonte de energia de 3000 W foi utilizado para validar os resultados do modelo. Nas simulações, buscou-se que a malha convergida tenha um número baixo de elementos de volume. Após a validação, o modelo foi usado para estudar o efeito da variação da altura da fonte de calor na resposta térmica do sistema. Fundamentalmente, esperouse obter uma temperatura mínima acentuada no ponto quente do sistema a uma altura ideal da fonte de calor, mostrando uma variação significativa na faixa de altura investigada, que vale a pena perseguir, independentemente da complexidade do projeto real do gabinete. A outra conclusão importante é que a precisão e o baixo tempo computacional garantem a confiabilidade do modelo para o design e a otimização do gabinete de embalagens eletrônicas.

Abstract: When using enclosures to protect electronic devices such as telecom enclosures, computer enclosures, and server bases, it is necessary to use heat dissipation systems, as the electronic equipment located inside the enclosures dissipates heat during an operation. This temperature rise, if not controlled, reduces the efficiency and life of the equipment. To solve this problem, mathematical modeling and computer simulation is a possible route to follow, which is a methodology that allows analysis throughout the different phases of a project. Therefore, this study experimentally investigates the ability of a simplified computer simulation methodology to evaluate the thermal response of electronic packaging cabinets. Basically, fast and accurate answers in the first stage system design are crucial for decision making. The approach produces a generalized 3D mathematical model, ie the volume element model (MEV), which allows for different phases within the solution domain (eg solid and gas). The physical laws of conservation, together with available empirical and theoretical correlations, form the basis of the model. In this way, only a set of algebraic and time-dependent ordinary differential equations is needed to obtain the spatial variable of the process (eg temperature), spatial distribution and transient response. Laboratory experiments were carried out to measure the thermal response of a cabinet (2048 × 1974 × 850 mm) containing a single heat source. A first set of experimental data with a power source of 1600 W was used to fit the model by solving the inverse parameter estimation problem (IPPE), in which the selected tuning parameters were the average air velocities inside the cabinet. Then, a second experimental set with a power source of 3000 W was used to validate the model results. In the simulations, it was sought that the converged mesh has a low number of volume elements. After validation, the model was used to study the effect of varying the height of the heat source on the thermal response of the system. Fundamentally, it was expected to obtain a sharp minimum temperature in the hot spot of the system at an optimal height of the heat source, showing a significant variation in the investigated height range, which is worth pursuing, regardless of the complexity of the actual cabinet design. The other important conclusion is that the accuracy and low computational time ensure the reliability of the model for the design and optimization of the electronic packaging cabinet.