Refrigeración de componentes electrónicos usando convección inducida electrohidrodinámicamente

Abstract

El rápido crecimiento y desarrollo de los componentes electrónicos hace que su tamaño sea cada vez más reducido y su potencia cada vez más alta. A pesar de que este tipo de componentes destacan por su fiabilidad al no tener partes móviles, el sobrecalentamiento puede causar diversos fallos reduciendo así su vida útil y fiabilidad. Por lo tanto, resulta fundamental el estudio de nuevas técnicas de refrigeración eficientes con el fin de garantizar el correcto funcionamiento y la vida útil de estos componentes. Este Trabajo de Fin de Máster se centra en el estudio de un sistema electrohidrodinámico basado en el experimento de Moghanlou, F. S. et al. (2014): Experimental study on electrohydrodynamically induced heat transfer enhancement in a minichannel. Se realiza un análisis CFD con el fin de estudiar el efecto del campo eléctrico en la mejora de transferencia de calor y la caída de presión en un flujo laminar a través de un minicanal de sección cuadrada para diferentes números de Reynolds. El dispositivo se compone de tres partes diferentes: entrada, salida y sección de prueba. El fluido pasa a través de la sección de entrada para desarrollarse completamente hidrodinámicamente. La sección de prueba está compuesta por un cable de cobre situado en la parte superior que simula el electrodo de alto voltaje y una placa calentada ubicada en la parte inferior que constituye el componente electrónico a enfriar. Además, la parte inferior de la sección de prueba (la placa calentada) se considera como tierra. Las paredes del minicanal están aisladas térmica y eléctricamente. El electrodo de alto voltaje inyecta carga a través del fluido, produciendo un flujo secundario hacia la parte inferior del canal (placa calentada). Las moléculas neutras del fluido son empujadas por este flujo secundario, por lo que el perfil de velocidad del flujo se modifica. Se realizan algunas simulaciones numéricas diferentes con el software ANSYS Fluent con el objeto de estudiar los fenómenos electrohidrodinámicos y determinar los efectos de la inyección de carga en el fluido. Con el fin de analizar la mejora de la transferencia de calor, la caída de presión y explicar el comportamiento del dispositivo electrohidrodinámico, se lleva a cabo un análisis de diferentes parámetros. Tras analizar los resultados, se puede concluir que los efectos del campo eléctrico se acentúan cuando el número de Reynolds es menor. De hecho, para los escenarios estudiados con el número de Reynolds más bajo, la modificación del flujo es mayor. Se observa un fenómeno de recirculación de fluido en la salida de la sección de prueba. El campo eléctrico contribuye negativamente en la ecuación de conservación del momento en esta parte del minicanal, reintroduciendo el fluido hacia la sección de prueba, y por tanto, perjudicando la mejora de la transferencia de calor. Al aplicar un voltaje en el electrodo superior, se observa un aumento de la caída de presión, que se incrementa con el valor del voltaje aplicado y, por lo tanto, con la intensidad del campo eléctrico. Analizando los parámetros calculados, los valores de PEC (eficiencia) obtenidos muestran que las configuraciones 2D con voltajes aplicados en el cable de 5 y 10 kV son más eficientes que la configuración sin voltaje. El PEC aumenta con el voltaje aplicado y, del mismo modo, la recirculación a la salida de la sección de prueba se vuelve más evidente con el valor del voltaje aplicado en el cable y por tanto con la intensidad del campo eléctrico. Por otro lado, ninguno de los escenarios con la configuración 3D analizados muestran valores de eficiencia mayores que la unidad. Sin embargo, dividiendo la placa en diferentes partes y analizándola exhaustivamente, se puede concluir que el aumento de temperatura debido a la recirculación está localizado en la parte final y que en el resto de la placa se observan temperaturas menores. Esta reducción de temperatura es más significativa en los escenarios con el menor número de Reynolds estudiado, y menos visible en los escenarios con el número de Reynolds mayor.