Constructal design de caminhos não-uniforme de alta condutividade térmica em forma de “y” para a refrigeração de corpos geradores de calor

Abstract

Este estudo numérico utiliza o método Constructal Design para reduzir os pontos quentes de um sólido com geração de calor uniforme por unidade de volume através da transferência de calor por condução. A ideia é facilitar o acesso do fluxo de calor através de uma via em forma de “Y” empregando condutividades térmicas não-uniformes para a base e ramos do Y. A função objetivo consiste em minimizar o excesso de temperatura máxima adimensional de todo o sistema (materiais de alta e de baixa condutividade térmica). A configuração do sistema pode variar sujeita a duas restrições: o volume total e o volume das vias de alta condutividade. Materiais de várias condutividades e frações de áreas são estudados. Os resultados mostram a aplicabilidade do Constructal Design para a melhoria do desempenho térmico do sistema. Utilizando condutividades diferentes para a base e os ramos obteve-se uma melhora de mais de 30%. A geometria otimizada é aquela que melhor distribui as imperfeições, isto é, os pontos quentes (pontos de temperatura máxima), o que está de acordo com o princípio da ótima distribuição das imperfeições.

This numerical study uses Constructal design method to reduce the hot spots of a system which generates uniform heat per unit of volume by conduction. The idea is to facilitate the access of the heat flux through a Y-shaped pathways with different conductivities for the base and the branches. The shape of the system can vary subject to two constraints: the total volume and the volume of the high conductivity pathways. Material of several conductivities and volume fractions are studied. Preliminary results showed the applicability of Constructal Design for improvement of the thermal performance of the system. Using different conductivities for the base and the branches was obtained an improvement of more than 30%. The optimized geometry is the one which best distributes the imperfections, i.e. the hot spots (points of maximum temperature), which is in accordance with the principle of the optimal distribution of imperfections.