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Sistemas eletrônicos de baixa potência são convenientemente
resfriados por CONVECÇÃO NATURAL E RADIAÇÃO
Convecção Natural (CN) não envolve ventiladores
e é baseada no movimento do fluido por diferença de densidade,
devido a diferença de temperatura,
que permite formar correntes de
convecção natural.
É eficaz quando o percurso do fluido
é relativamente livre de obstáculos.
A magnitude da transferência de calor por convecção natural
entre uma superfície e um fluido está diretamente relacionada
com a taxa de escoamento do fluido.
CN: sem ventiladores a taxa, ou a velocidade, não pode ser
controlada externamente, sendo estabelecida pelo equilíbrio
dinâmico de empuxo e atrito.
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1) > (Tfluido-sup – Tfluido-corrente) > força de empuxo
+correntes de CN e > a taxa de transferência de calor
Tfluido-sup = fluido adjacente a uma superfície quente
Tfluido–corrente = fluido adjacente a superfície quente e o fluido
afastado dela
2) dois corpos em contato se movem em relação um ao outro,
uma força de atrito desenvolve-se na superfície de contato no
sentido oposto ao do movimento
Esta força de oposição retarda o fluido e reduz a taxa de
escoamento do fluido
Em regime estacionário, a taxa de escoamento do ar é
estabelecida no ponto onde estes dois efeitos se equilibram.
A força de atrito aumenta à medida que mais e mais superfícies
sólidas são introduzidas, prejudicando seriamente o escoamento
do fluido e a transferência de calor .
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Componentes eletrônicos ou PCBs colocados em TVs ou DVDs
são resfriados por CN, com aberturas de ventilação sobre o case,
que permitem que o ar frio entre e o ar aquecido saia livremente
As aberturas para TC dos equipamentos eletrônicos devem
minimizar a resistência ao escoamento e devem ser localizadas
na parte lateral ou traseira para entrada de ar e na parte superior
para saída do ar.
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h é coeficiente local de transferência de calor por convecção
é o coeficiente médio de TC para toda a superfície, em W/m²K
é a temperatura do fluido não afetada pelo calor transferido
a partir do sólido. Em problemas de encapsulamento eletrônico,
no entanto, esta suposição pode não ser verdade em todos os
momentos
h
T
O valor de h depende da geometria da superfície e do regime
de escoamento do fluido.
O processo de convecção envolve a TC entre a superfície
sólida e um fluido em escoamento adjacente à superfície
Taxa de calor transferido por convecção:
)TT(hAq supsup
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Regimes de escoamento do fluido
Laminar o escoamento do fluido é ordenado, sendo possível identificar
as linhas de corrente ao longo das quais as partículas se movem.
Turbulento o movimento é altamente irregular sendo caracterizado por
flutuações de velocidade. Estas flutuações melhoram a transferência de
momento, energia e massa e aumentam o atrito na superfície e as
taxas de transferência por convecção
laminar transição turbulento
Correntes de CN começam como
laminar (suave e ordenada) e
transformam-se em turbulento,
quando a dimensão do corpo e a
diferença de temperatura
entre a superfície quente e o fluido
são grandes.
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Para o ar, o escoamento é laminar, quando as diferenças de
temperatura em questão são menores que 100 °C e o comprimento
característico do corpo é inferior a 0,5 m, o que é quase sempre o caso
em equipamento eletrônico.
O coeficiente de transferência de calor por CN para o escoamento
laminar à Patm do ar é:
Lc: comprimento característico (L do corpo ao longo do caminho do
escoamento)
K: constante que depende da geometria e orientação do corpo.
25,0
Lc
TKh
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Relações simplificadas para h de CN com ar à pressão atmosférica para diferentes
geometrias e escoamento laminar
Valores de h em W/m² ºC, ∆T em ºC e L ou D em m
Para P diferentes de 1 atm:
Phh atm1
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Processos combinados de CN e Radiação
Superfícies quentes cercadas por
superfícies mais frias, como as paredes e
tetos de uma sala ou apenas o céu,
também são resfriadas por radiação.
A magnitude de TC por radiação, em geral,
é comparável a da TC por CN
)TvizTs(Aq 44
Superfícies com 1 (plásticos e superfícies pintadas)
TC de radiação é insignificante para metais polidos (baixa ) e
para corpos cercados por superfícies, quase a mesma
temperatura.
A TC por radiação entre uma superfície à temperatura Ts
completamente rodeada por uma superfície muito maior à
temperatura Tviz:
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Se a superfície quente (Ts) tem visão parcial da superfície mais fria
(Tviz), usar o fator de forma F
F: fração da vista da superfície quente bloqueada pela superfície mais
fria.
)TvizTs(AFq 44
Na análise preliminar, a superfície é geralmente assumida ser
completamente rodeada por uma única superfície hipotética, cuja
temperatura é a temperatura média das superfícies circundantes
O valor de F fica na faixa de 0 (superfície quente não tem vista direta
para a superfície mais fria) a 1 (superfície quente está completamente
cercada pela superfície fria).
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Arranjos de Placas de Circuito Impresso e a TC
PCIs de baixa potência montados dentro de um
chassis são resfriados por CN com aberturas
adequadas para facilitar o fluxo de ar
O fluxo de ar entre as PCIs aumenta quando
aquecido pelos componentes eletrônicos e é
substituído pelo ar frio entrando
Isto inicia o escoamento por CN através das
passagens paralelas de escoamento formadas
pelas PCIs.
PCIs montadas verticalmente tiram proveito das
correntes de CN e minimizam bolsas de ar que
podem ficar presas.
PCIs montadas muito afastadas desperdiçam
espaços e muito perto "sufocam" o escoamento
aumentado a resistência.
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Na análise de TC de PCI, a radiação é desconsiderada
quando:
A montagem dos componentes é bloqueada por
componentes que geram mais calor
Componentes quentes estão em frente a superfícies mais
quentes em vez de uma superfície mais fria.
Exceções são as extremidades do chassi que “visualizam”
as superfícies laterais mais frias.
Assim deve-se montar os componentes de alta potência da
PCI próximos às paredes do chassis para aproveitar o
resfriamento adicional fornecido pela radiação.
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As correntes de CN ocorrem apenas em campos gravitacionais, não
pode haver TC por CN no espaço.
Quando as passagens de ar são bloqueadas e ar quente não pode
subir, não haverá movimento de ar, e a TC através do ar será por
condução.
A TC das superfícies quentes por CN e radiação pode ser
aumentada fixando aletas às superfícies.
As PCI que dissipam até cerca de 5 W de potência (ou densidade de
potência de 0,02 W/cm²) podem ser resfriadas de forma eficaz por
CN
A TC da PCI pode ser analisada como uma placa retangular com
fontes de calor uniformemente distribuídas de um lado e isoladas do
outro lado (TC a partir das superfícies posteriores das PCI é
geralmente pequena)
Para PCIs com componentes eletrônicos montados em ambos os
lados, a taxa e a área de superfície de TC serão duas vezes maior.
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Exemplo:
Considere uma PCI de 15 x 20 cm com componentes eletrônicos de
um lado, dissipando um total de 7 W.
A placa é montada em um rack vertical em conjunto com outras
placas.
- Se a temperatura da superfície dos componentes não é superior a
100 °C, determine a máxima temperatura do ambiente no qual esta
placa pode operar com segurança ao nível do mar.
- Qual seria sua resposta se este rack estivesse a 4000 m de
altitude, onde a pressão atmosférica é 61,66 kPa?