conveccao forcada

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CONVECÇÃO FORÇADA
O processo de convecção é um mecanismo de transferência de calor através de um 
fluido, na presença de movimento da massa do fluido.
A convecção pode ser: convecção natural (ou livre) e convecção forçada, 
dependendo de como o movimento do fluido é iniciado.
Forçada Natural
Externo 
Interno 
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Forças de flutuação causadas por 
diferença de densidade, devido à 
variação da temperatura do fluido
Forçada por meios externos: 
ventilador, bomba ou vento
Convecção com mudança de fase: movimento induzido pelas bolhas ou 
gotículas de líquido. 
Convecção monofásica: 
líquido ou gás
Há uma variedade de técnicas de resfriamento por convecção forçada:
- Fluxo de ar direto, ou outros refrigerantes, sobre componentes a resfriar da PCI
- Placas frias resfria os componentes indiretamente com escoamento de líquido
- Tubos de calor com fluxo direto de um fluido refrigerante que opera com a
mudança de fase (vaporização e condensação)
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• h é coeficiente local de transferência de calor por convecção, ou 
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
- fina camada de fluido (camada limite)
onde os gradientes de velocidade e
as tensões cisalhantes são grandes
- uma região exterior à camada limite
onde estes são desprezíveis.
Tsup y=0 u=0 Tf=Tsup
y=0,99  u=u∞
Tf=T∞ 
Escoamento externo: Escoamento forçado de fluido sobre uma superfície
)TT(hAq supsup 
 geometria,V,TT,k,c,,fh sp  
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- Para um fluido remover o calor de uma superfície, o calor primeiro é conduzido
através da película de fluido próxima à superfície e depois transferido através da
massa de fluido que escoa.
- Portanto, a transferência de calor por convecção depende não somente de quão
rápido o fluido escoa, mas também sobre a forma como ele conduz o calor perto da
superfície.
- Estes processos combinados (condução na película de fluido + convecção) são
relacionados através do número de Nusselt, Nu.
k
hL
Nu 
h é coeficiente local de transferência de calor por convecção ou médio, W/m²K
L comprimento característico, m
k condutividade térmica do fluido, em W/mK
Nu permite comparar vários fluidos sob vários regimes de escoamento e verificar a 
capacidade dos mesmos de remover o calor de uma superfície
COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
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Para identificar o regime de escoamento em convecção forçada externa (placas,
superfícies curvas, etc.) ou interna (canais, dutos, tubos, etc.) se utiliza o número
adimensional de Reynolds, Re
-u é a velocidade da corrente de fluido (escoamento
externo) e velocidade média (interno)
-  é a massa específica do fluido
- L é o comprimento característico
-  é a viscosidade do fluido
Escoamento sobre placa:
Re<= 5 x 105 Laminar Re > 5 x 105 turbulento



Lu
Re
REGIME DE ESCOAMENTO DO FLUIDO
5c
c 10x5
xu
Re  





k
c
PrNº de Prandlt - Pr
Pr)(Re,f
k
Lh
Nu 
Nº de Nusselt - Nu
Correlações para Nu_médio
Laminar: local
médio 
Turbulento: local
médio
3/12/1
xx PrRe664,0uN 
3/15/4
xx Pr)871Re037,0(uN 
3/12/1
xx PrRe332,0Nu 
315402960 //xx PrRe,Nu 
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 Correlações empíricas
para o Nu médio para
convecção forçada
sobre placas planas e
cilindros circulares e
não circulares em
escoamento cruzado
Escoamento externo
Escoamento interno: 
comprimento característico é Dh de diferentes geometrias
Circular
Retangular
Elipse
Triangular
Para Re > 2300 é possível a utilização 
das correlações para tubos circulares
DiDh 
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Condição de fluxo de calor constante na superfície
o h permanece constante e as temperaturas da
superfície, Ts, e do fluido, T∞ aumentam
linearmente, mas a diferença entre elas permanece
constante.
Quanto maior h, menor Ts dos componentes
eletrônicos.
Se a temperatura de saída do fluido, Tsai, for
conhecida, a máxima Ts é
hAs
q
TTsT sup_aumento 
hAs
q
TT saimax,s 
Verificar se esta temperatura está dentro da faixa segura, ou usar um ventilador 
maior para aumentar a vazão de fluido
x
cm
Pq
e,Tm)x(Tm
p
"


Condição de fluxo de calor constante na superfície
Temperatura média do fluido ao longo do escoamento
Condição de temperatura de superfície constante
PL"qq 
))x(Tm)x(Ts(h"q 











h
cm
Px
exp
e,TmTs
)x(TmTs
p
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D
kNu
h 
h é coeficiente local de transferência de calor por convecção:
Relações ou correlações para determinar o 
número de Nu como função de Re e Pr, 
baseadas em dados experimentais
Escoamento interno 
Re<2300 – Laminar
2300<Re<5 x 106
fator de atrito
Re>10.000 turbulento
 Nu para escoamento laminar
plenamente desenvolvido em tubos
circulares e canais retangulares
4,08,0 PrRe023,0Nu 
)1(Pr8/f7,121
Pr)1000)(Re8/f(
Nu
3/2 


2)64,1ln(Re)79,0(f 
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No resfriamento por fluxo direto deve-se considerar antes de selecionar um
ventilador ou uma bomba:
a perda de pressão, perdas, caminhos de escoamento do fluido, espaçamento entre
os componentes e distribuição, e também os efeitos da altitude para o caso do ar.
Quando a TC para a superfície externa do
equipamento eletrônico é desprezível (perda) a taxa
de calor absorvida pelo ar interno torna-se igual a
rejeitada (ou potência dissipada) pelos componentes.
arar_abs )TentraTsai(cpmTcpmq  
ar_abseletrica qW 
• Em projetos considerar o ∆Tar de 10°C e a Tmax_sai_ar de 70°C.
• Um sistema de resfriamento a ar forçado bem projetado, a temperatura
máxima na superfície do componente deve ser menor que 100°C.
Ar é fornecido para o equipamento eletrônico por um ou mais ventiladores
- Taxa de massa de ar e a altitude
O volume de ar para um ventilador com velocidade fixa é constante, mas a taxa de
massa de ar será menor em altas altitudes, pois a densidade é menor.
Ex: a 6000 m o ventilador entregará metade da massa de ar para mesma
temperatura e velocidade de rotação, portanto a temperatura do ar de resfriamento
aumentará, criando problemas de confiabilidade e falhas dos equipamentos
eletrônicos.
Poderia-se usar ventiladores com velocidade variável, que se ajustam a esta
situação
- Contaminantes
Fiapos, poeira, umidade e até mesmo óleo podem se acumular nos componentes e
nas passagens estreitas, causando um sobreaquecimento.
A poeira acumulada funciona como uma camada de isolamento que torna muito
difícil para o calor gerado ser dissipado. Usar filtros de ar.
 m
SELEÇÃO DO VENTILADOR
Ventilador na entrada ou o na saída?
Preferencialmente na entrada, pois:
- aspira o ar e pressuriza a caixa, impedindo a
infiltração de ar na caixa através de aberturas, e
instalando o filtro também na entrada mantém
limpo.
- O ventilador opera com o ar mais frio e , portanto,
mais denso, o que resulta em uma taxa de massa
mais elevada para a mesma vazão e rotação.
- A desvantagem é que o calor gerado pelo
ventilador e o seu motor aumenta a carga de calor
do sistema.
O ventilador na saída cria pressão negativa dentro da
caixa que aspira o ar exterior para dentro da caixa
através de aberturas de entrada, sendo difícil de filtrar
e a poeira pode prejudicar a confiabilidade do sistema
Tipos de ventiladores para refrigeração de equipamentos eletrônicos
Principais considerações na seleção:
- Perda de carga do sistema (resistência total que o sistema eletrônico
oferece para a passagem de ar)
- Vazão de ar
Ventiladores Axiais: simples, pequenos, leves e baratos e entregam
uma grande vazão de ar. Adequado para sistemas com pequenas
perdas de carga. Trabalham a velocidades mais altas e apresentam
ruído.
Ventiladores centrífugos: entregam
vazões de ar moderadas com alta pressão
estática e baixas velocidades. São maiores,
mais pesados, mais complexos e caros
que os axiais.
Curva de desempenho:
EXEMPLO – CONVECÇÃO
EXTERNA
Ar forçado a 25 ºC e 10 m/s é usado para resfriar componentes eletrônicos montados sobre 
uma placa de CI. Considere um chip com 4 mm de comprimento e 4 mm de largura, localizado 
a 120 mm da aresta frontal. Com a superfície da placa é irregular, o escoamento é perturbado e 
a correlação da convecção apropriada possui a forma:
Estime a temperatura da superfície do chip, Ts, se a sua taxa de dissipação de calor for 30 mW.
33,085,0
xx PrRe04,0Nu 
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No resfriamento indireto (placa fria) - o calor é transferido para um
líquido de resfriamento através de um dissipador de calor e a
passagem de fluxo é atrás da PCI.
Requer cálculos de vazão de líquido para evitar redução na pressão,
bem como o vazamento do refrigerante
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Tubos de calor
 São dispositivos para troca de calor altamente eficientes
 São concebidos para transferir o calor a partir de um ponto quente para um local
onde pode ser facilmente removido e funciona melhor quando o calor é
concentrado.
Aplicações
Controle térmico de componentes eletrônicos e aplicações em diversas áreas 
tecnológicas como na indústria eletrônica (notebooks e refrigeração de placa mãe e 
chipsets) e na indústria espacial (satélites). 
 Operam em um ciclo bifásico (vaporização e condensação) fechado e utilizam calor latente 
de vaporização para transferir calor a partir de pequenas diferenças de temperatura.
 Tubo metálico revestido internamente por um meio poroso, encharcado com o fluido de 
trabalho
 São compostos por três regiões distintas: evaporador, região adiabática e condensador.
Região do evaporador: calor é fornecido ao tubo, vaporizando o fluido. O vapor gerado se 
desloca, devido a diferenças de pressão, para regiões mais frias do tubo, o condensador, 
onde o calor transportado é rejeitado.
Região do condensador: ocorre a rejeição de calor e o vapor condensa. O líquido é 
transportando de volta ao evaporador, fechando o ciclo. 
O retorno se dá por efeito capilar resultante do escoamento do líquido pelo meio poroso.
Região adiabática: pode apresentar dimensão variável, ou ser inexistente em alguns casos, e 
está localizada entre o evaporador e o condensador, sendo isolada do meio externo.
Fluido de trabalho
O principal critério para seleção do fluido de trabalho é a sua temperatura de ebulição 
(saturação – mudança de fase), que deve ser compatível com a temperatura de operação, 
podendo variar de temperaturas criogênicas (5 a 100K) até níveis bastante altos (acima de 
1000K).
Devem ser avaliadas também as propriedades termofísicas, propriedades como molhabilidade
do fluido e a tensão superficial.
EXEMPLO – CONVECÇÃO INTERNA
Um procedimento usual para resfriamento de um CI (chip) para computador de alto 
desempenho envolve a fixação do chip a um sumidouro de calor no interior do qual são 
usinados microcanais circulares. Durante a operação, o chip produz um fluxo térmico uniforme 
q”c na sua interface com o sumidouro de calor, quadrado enquanto um refrigerante líquido 
(água) é passado pelos canais. Considere um chip e um sumidouro de calor, ambos com LxL de 
lados, e com microcanais com diâmetro D e passo S=C1D, sendo C1 maior do que a unidade. 
Água é fornecida a uma temperatura de entrada de Tm,i e a uma vazão mássica total m (para 
todo o sumidouro de calor).
a)Admitindo que q”c se disperse ao longo do 
sumidouro de calor de tal modo que um fluxo 
de calor uniforme q”s seja mantido na 
superfície de cada canal, obtenha expressões 
para as distribuições longitudinal das 
temperaturas médias do fluido Tm(x), e 
superficial Ts(x), em cada canal. Em cada 
canal , considere escoamento laminar 
plenamente desenvolvido ao longo de toda a 
extensão e expresse os seus resultados em 
termos de m, q”c, C1, D e/ou L, assim como 
das propriedades. 
b) Para L=12mm, D=1mm, C1=2, q”c=20 W/cm², 
m=0,01kg/s e Tm,i=290K calcule e represente 
graficamente as distribuições de temperaturas 
Tm(x) e Ts(x).