Estudio Experimental y Análisis de la Refrigeración de Componentes Electrónicos mediante la Combinación de un Flujo Cruzado y un Chorro Incidente.

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(1)UNIVERSIDAD DE NAVARRA. ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS SAN SEBASTIÁN. Estudio Experimental y Análisis de la Refrigeración de Componentes Electrónicos mediante la Combinación de un Flujo Cruzado y un Chorro Incidente MEMORIA que para optar al Grado de Doctor presenta YUNESKY MASIP MACÍA bajo la dirección de Dr. Alejandro Rivas Nieto San Sebastián, noviembre 2013.

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(3) A Suleivys con todo mi amor..

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(5) AGRADECIMIENTOS. Quiero agradecer a todos aquellos que de una forma u otra han estado a mi lado durante la realización de esta tesis doctoral. En primer lugar a Suleivys que con su amor, apoyo y compresión ha sido capaz de darme ánimos en los momentos más difíciles, ha estado presente en cada momento que la he necesitado, cuando más fatigado me encontraba ahí estaba ella para levantarme y así poder conseguir todos los objetivos propuestos. A mis padres, mis hermanos y mis queridas sobrinas que a pesar del océano que nos separa sé que estoy presente en sus pensamientos y corazones cada día. Sentir su cariño y apoyo es lo que me ha hecho más fuerte ante las adversidades. Especialmente no puedo dejar de destacar a mi madre Rosa y mi padre Pedro que desde pequeño supieron educarme, guiarme y hacer de mí el hombre que ahora soy, por ellos es que cada día intento ser mejor persona y sigo superándome. También a mi otro padre Rafael y mi familia de Las Vegas, así como a esa otra familia de San Cristóbal que gracias a su apoyo estoy aquí. A mi director de tesis Alejandro Rivas quien depositó su confianza en mí para la ejecución de este proyecto y a pesar de venir desde otro continente con una cultura diferente, él supo guiarme para que todo fuera más fácil y así salir adelante en este trabajo. Quiero agradecer los momentos de debates y discusión, así como sus consejos que me han permitido crecer profesional y humanamente durante todo el tiempo compartido. A Juan por su incondicional ayuda y sus enseñanzas sin las cuales no hubiese sido posible todo el diseño, fabricación y montaje del banco de i.

(6) ii. Agradecimientos. ensayos. Sin su abnegación, esfuerzo y entrega no habría sido posible realizar todo el montaje del equipamiento y la realización de los experimentos en esta tesis. Por eso te digo: amigo muchas gracias por soportarme y estar ahí cuando lo necesité. A mis compañeros de trabajo Alaine, Asier, Eduardo, Gorka, Jon, Mireia, Juan Carlos, Raúl, Estibaliz, Jorge, Frank y Jose con los cuales he compartidos muchos momentos agradables muy difíciles de olvidar. Sé que algunos han estado más cerca de mí cuando los he necesitado y ellos lo saben, por eso les agradezco el haber dejado que me convierta en su amigo y hayan hecho mi vida en San Sebastián mucho más agradable. Mil gracias a todos por esos momentos que hemos pasado juntos en las buenas y malas. A Isaías, Antonio, Enrique, Xavier y Jon quienes a través de su magnífico trabajo en el taller hicieron posible la fabricación de la mayoría de piezas del banco de ensayos, y en muchas ocasiones fueron más allá de sus posibilidades para lograr que el proyecto saliera adelante. También quiero agradecer a mis compañeros de comida Lorena, Nirko, Claudia, Raquel, Corey, Fernando y Jesús con los cuales compartí muchas tardes, las cuales se hacían más amenas y divertidas haciéndome olvidar en esos momentos todos los problemas. Al profesor y amigo Antonio Campo de la Universidad de San Antonio en Texas, un coterráneo que sin su ayuda no estaría hoy aquí en esta posición. Le agradezco que sin apenas conocerme haya confiado en mí y me recomendase para realizar esta tesis y que con el paso del tiempo sigue ahí cada vez que le necesito. Quiero agradecer a los profesores Martin Tanco, Elizabeth Viles y María Jesus Álvarez del Departamento de Organización aquí en TECNUN por su ayuda brindada en el tema del Diseño de Experimentos y a los profesores Hugo Álvarez y Diego Borro del Área de Simulación del Departamento de Mecánica Aplicada del CEIT sin los cuales no hubiese sido posible todo el tema de rectificación de la perspectiva de las imágenes infrarrojas..

(7) iii. Agradecimientos. A Guillermo Vilalta y su esposa Jacqueline quienes con su amistad incondicional, sus consejos y ánimos siempre me han ayudado cada vez que los necesité. También a Amparito y Pepi unas primas a las cuales agradezco su amistad, cariño y apoyo de cada día que he disfrutado en su compañía. Finalmente, quiero agradecer a todas las personas de TECNUN y el CEIT que de una forma u otra han hecho posible la realización de esta tesis doctoral.. A todos ustedes…muchas gracias..

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(9) RESUMEN. En la presente tesis se presenta un estudio experimental sobre la refrigeración de componentes electrónicos mediante la combinación de un flujo cruzado y un chorro incidente (IJCF) empleando aire como fluido refrigerante. Para el análisis y caracterización de la refrigeración, se ha diseñado y construido un banco de ensayos que representa el canal formado por dos placas de circuito impreso en la cual se montan los componentes electrónicos y se realizan los experimentos requeridos para el estudio de la configuración de flujo antes mencionada. Dichos componentes se han representado mediante unos paralelepípedos construidos de manera que simulan elementos disipadores de calor. Dentro de los experimentos realizados se ha caracterizado el campo de flujo alrededor de un componente. Para ello se ha empleado la técnica experimental de Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) con el objetivo de medir la velocidad instantánea del flujo en varios planos que cubren el espacio alrededor del componente. La velocidad media y las tensiones de Reynolds se obtuvieron a partir del promedio de la velocidad instantánea. El flujo principal mostró un patrón complejo con diferentes estructuras. Para la caracterización del proceso de trasferencia de calor se empleó la técnica de Termografía Infrarroja para medir las distribuciones de temperatura superficial en cada una de las caras del componente disipando calor. A partir de estas mediciones fue posible determinar las características de la refrigeración del componente para cada caso estudiado partiendo de los números de Nusselt. v.

(10) vi. Resumen. De los estudios llevados a cabo, se ha realizado uno sobre la configuración básica de flujo IJCF para un componente de altura igual a mitad del canal. En este se ha analizado y discutido diferentes características que poseen las estructuras del campo de flujo alrededor del componente y su influencia sobre los fenómenos de la transferencia de calor, así como la influencia de dos parámetros de operación básicos tales como el número del Reynolds del canal y la relación de números de Reynolds entre el chorro y el canal. Además se ha encontrado una correlación entre el comportamiento térmico y las variables del campo de flujo pudiendo establecer una comparación desde el punto de vista energético entre el método de refrigeración convencional de solo Flujo Cruzado (CF) y la configuración de refrigeración de IJCF. Por último se ha realizado un estudio paramétrico mediante el empleo del Diseño de Experimentos con el objetivo de analizar la influencia de los principales parámetros geométricos y de sobre la transferencia de calor y las características del campo de flujo en el componente. A través de este estudio se ha podido obtener la configuración de flujo óptima mediante la cual la refrigeración del componente alcanza una eficiencia superior en comparación a la que se puede obtener a través de la forma convencional de refrigerar..

(11) ÍNDICE. AGRADECIMIENTOS ....................................................................................... i RESUMEN ..................................................................................................... v ÍNDICE ......................................................................................................... vii 1. Introducción .............................................................................................. 1 1.1. La refrigeración en la electrónica ........................................................ 1. 1.2. Estado del arte ..................................................................................... 6. 1.3. Motivación de la tesis ........................................................................ 26. 1.4. Objetivos de la tesis ........................................................................... 27. 1.5. Estructura de la tesis .......................................................................... 29. 2. Materiales y métodos ............................................................................. 31 2.1. 2.1.1. Túneles de Viento de circuito abierto ........................................ 33. 2.1.2. Componentes del banco de ensayos. ........................................ 36. 2.2. Mediciones con la técnica PIV ........................................................... 62. 2.2.1. Descripción de la técnica ........................................................... 62. 2.2.2. Equipamiento ............................................................................. 64. 2.2.3. Metodología de Ensayos ............................................................ 75. 2.3. vii. Diseño del banco de ensayos. ............................................................ 32. Mediciones térmicas .......................................................................... 81. 2.3.1. Descripción de la técnica ........................................................... 81. 2.3.2. Equipamiento ............................................................................. 84.

(12) viii. Índice. 2.3.3 2.4. Metodología de ensayos térmicos ............................................. 89. Mediciones de presión ..................................................................... 101. 2.4.1. Equipamiento ........................................................................... 101. 2.4.2. Metodología de las mediciones de presión ............................. 102. 2.5. Análisis de la incertidumbre............................................................. 103. 2.5.1. Incertidumbre en las mediciones de PIV ................................. 105. 2.5.2. Incertidumbre en las mediciones térmicas .............................. 108. 2.5.3. Incertidumbre en las mediciones de presión........................... 109. 2.6. Metodología para la aplicación del Diseño de Experimentos .......... 111. 3. Estudio experimental de una configuración básica de refrigeración combinando un chorro incidente y un flujo cruzado ................................... 121 3.1. Estudio hidrodinámico ..................................................................... 123. 3.2. Resultados y discusión del estudio hidrodinámico .......................... 132. 3.2.1. Zona Superior ........................................................................... 133. 3.2.2. Zona Frontal ............................................................................. 148. 3.2.3. Zona de la Estela ...................................................................... 150. 3.2.4. Zona Lateral.............................................................................. 156. 3.3. Estudio térmico ................................................................................ 165. 3.4. Resultados y discusión del estudio térmico ..................................... 166. 3.4.1. Análisis local de la transferencia de calor por convección ...... 169. 3.4.2 Análisis de la Transferencia de calor promedio por convección ... …………………………………………………………………………………………………………… 184 3.4.3 Comparación entre la configuración IJCF y el método convencional CF ....................................................................................... 190 4. Análisis Experimental Paramétrico de una Configuración de Refrigeración combinando un Chorro Incidente y un Flujo Cruzado ................................. 197 4.1. Aplicación del DoE para el estudio paramétrico .............................. 198.

(13) ix. Índice. 4.1.1. Fase 1. Definir .......................................................................... 198. 4.1.2. Fase 2 y 3. Medir y Pre‐Analizar............................................... 201. 4.1.3. Fase 4. Experimentación .......................................................... 206. 4.1.4. Fase 5. Analizar ........................................................................ 215. 4.1.5. Optimización y comparación entre el método CF y el IJCF ...... 235. 5. Conclusiones y futuras líneas de investigación........................................247 5.1. Conclusiones .................................................................................... 247. 5.2. Futuras líneas de investigación ........................................................ 253. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................255 ANEXOS .....................................................................................................265 A1: Conductividad térmica del epoxi ........................................................... 265 A2: Contornos de Velocidad y Tensiones de Reynolds para cada caso el DoE ..................................................................................................................... 270 A3: Contornos del número de Nusselt para cada caso del DoE .................. 279 A4: Tablas de los efectos y coeficientes estimados para las diferentes variables respuestas del DoE ....................................................................... 286 PUBLICACIONES .........................................................................................289.

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(15) capítulo 1 INTRODUCCIÓN 1.1 LA REFRIGERACIÓN EN LA ELECTRÓNICA En la actualidad el sector de la electrónica es una de las industrias de más rápido crecimiento. El desarrollo de esta industria puede ser planteado a través de la Ley de Moore (1965), la cual describe el número de transistores en un circuito integrado en función del tiempo. Según la esta ley el número de transistores en un circuito integrado se duplicaría cada año. El modelo descrito por Moore ha sido modificado con el paso de los años, por esta razón en la Figura 1.1 se pueden ver los valores alcanzados hasta la actualidad. Durante años se ha repetido una y mil veces que la Ley de Moore estaba llegando a su fin pero debe fijarse en un dato: el Intel 4004 contenía unos 2.300 transistores, una cifra irrisoria en la actualidad, cuando lo más común es tener en torno a los 1.000 millones de transistores en unos pocos milímetros cuadrados.. 1.

(16) 2. Capítulo1: Introducción. Figura 1.1 Ilustración del desarrollo de la industria electrónica de acuerdo a la Ley de Moore. Reproducido de www.intel.com.. Este elevado crecimiento y desarrollo de la industria electrónica hace que la gestión térmica de los sistemas electrónicos sea actualmente uno de los cuellos de botella en esta industria. El aumento de la velocidad de procesamiento y la miniaturización de los componentes conlleva un gran incremento en la disipación de calor por unidad de área en los sistemas electrónicos. De ahí que la refrigeración de los componentes electrónicos sea un punto de atención primordial para los diseñadores de sistemas electrónicos. Sin embargo, estos requerimientos hacen que los componentes que conforman el dispositivo electrónico disipen una mayor cantidad de calor, según Rundström (2008) la tendencia actual es que la cantidad de calor generada se duplica cada 3 años, aunque en los últimos años el valor se ha ido manteniendo casi constante, como se muestra en la Figura 1.2..

(17) 1.1 La refrigeración en la electrónica. 3. Potencia (W). { Figura 1.2 Desarrollo de la disipación de calor en componentes electrónicos a lo largo de los años. Tomado y ampliado a partir de Rundström (2008).. Con el objetivo de que los componentes electrónicos mantengan una alta fiabilidad y durabilidad es necesario que la temperatura de estos se limite a niveles suficientemente bajos como en el caso de un microprocesador de ordenador doméstico donde este valor se sitúa cerca de los 75oC tal y como se describe en Intel® Data sheets (2010). Debido a esto, el sistema de refrigeración se convierte en una parte clave de los dispositivos electrónicos. En los sistemas de refrigeración el fluido refrigerante usado habitualmente en el enfriamiento de los dispositivos electrónicos es el aire, aunque actualmente existe un creciente interés en sistemas que trabajan con líquidos refrigerantes como los denominados Spray Cooling similar al descrito en Martínez et al. (2013), donde se obtienen elevados coeficientes de transferencia de calor. La principal limitación en el empleo de líquidos refrigerantes en la electrónica es su capacidad dieléctrica ya que el líquido debe estar en contacto con el dispositivo. Por este motivo el aire sigue siendo el fluido refrigerante de preferencia en aplicaciones electrónicas ya que su alta capacidad dieléctrica y su fácil disponibilidad no suponen problema alguno para el proceso de enfriamiento, a pesar de que los coeficientes de transmisión de calor que se alcanzan no sean tan elevados como en el caso de los líquidos. En los sistemas que trabajan con aire el aumento en la potencia de calor.

(18) 4. Capítulo1: Introducción. disipada por los componentes electrónicos hace que se requiera el uso de la convección forzada en la mayoría de los casos siendo los menos aquellos donde se emplea convección natural. En la Figura 1.3 se puede ver un esquema que describe cada una de las técnicas de refrigeración usadas en la industria electrónica y sus límites. Aunque vale resaltar que debido a la complejidad de las mismas, algunas de estas técnicas aún se encuentran en fases de experimentación o solo se han desarrollado algunos prototipos. Convección Natural Aire (h~5-30 W/m2K) Convección Forzada Aire (h~20-400 W/m2K) Convección forzada con Líquido (h~100-1600 W/m2K) Inmersión en Líquido (h~800-10000 W/m2K) Spray (h~1000-30000 W/m2K). q·. q·. q·. q·. q·. h≡ coeficiente de transferencia de calor. Figura 1.3 Técnicas de refrigeración de componentes electrónicos. Reproducido de Finch y Ballew (2009).. Usualmente los dispositivos electrónicos contienen placas de circuitos impresas (PCB) donde se localizan los componentes. Un método de refrigeración de estos dispositivos es mediante una corriente forzada de aire que fluye a través de los canales compuestos por las PCBs. De ahí que, el coeficiente de transferencia de calor en los componentes electrónicos depende en gran medida de las características del flujo de fluido que circula entre las placas PCB. Por esta razón el tema del flujo de fluido y la.

(19) 1.1 La refrigeración en la electrónica. 5. transferencia de calor alrededor de pequeños bloques tridimensionales, que simulan componentes electrónicos, han adquirido un gran interés científico y tecnológico. En muchos de los sistemas electrónicos, entre los componentes que se encuentran sobre una PCB suelen existir algunos altamente disipativos. Cuando esto ocurre, el sistema de enfriamiento no solo tiene que retirar el calor total sino también satisfacer el requisito de temperatura máxima en los mencionados componentes. En este caso, si para remover la carga térmica solamente se emplea un único flujo forzado entre las PCBs, el caudal de aire necesario aumentará considerablemente y con este el tamaño de los ventiladores que hacen circular el aire a través del sistema. En la búsqueda de una solución viable a esta problemática se han desarrollados diversos trabajos e investigaciones entre los que destaca el estudio de la configuración del flujo de un chorro incidente sobre una superficie sólida. Entre las características principales que hacen interesante este tipo de flujo se encuentra la existencia de una zona de impacto sobre la superficie donde se produce un elevado coeficiente de transferencia de calor, como se muestra en la literatura descrita en el apartado siguiente. Por este hecho el chorro incidente se suele emplear en aquellas aplicaciones donde es necesario incrementar la transferencia de calor entre un fluido y un sólido para producir una mayor refrigeración localizada. En los trabajos presentados por Brignoni y Garimella (1999) y Lee et al. (2007), se destacan algunas de las aplicaciones industriales del chorro incidente entre las que se encuentra el enfriamiento de alabes de una turbina, el secado de papel y textil, revenido de cristales y la refrigeración de componentes electrónicos. Atendiendo a lo expuesto, en el caso específico de los sistemas electrónicos con componentes altamente disipativos el flujo que circula a través de las PCBs se puede combinar con un chorro refrigerante incidiendo sobre los componentes que disipan mayor cantidad de calor. El objetivo de esta combinación (conocida como Impinging Jet in a Cross Flow‐IJCF) es realizar una gestión térmica global del sistema electrónico mediante el flujo en el canal y emplear el chorro incidente para satisfacer los requerimientos de temperatura en aquellos componentes más disipativos. En este tipo de configuración es esperable que los caudales de aire necesarios y por tanto la.

(20) 6. Capítulo1: Introducción. potencia requerida por los ventiladores sea menor respecto a la necesaria en las configuraciones sin chorro incidente.. 1.2 ESTADO DEL ARTE El análisis experimental y numérico sobre el tema de la refrigeración de componentes electrónicos y placas base ha sido desarrollado por diversos autores. En estos trabajos las configuraciones más usadas se destacan en la Figura 1.4, ya sean sobre un componente único o una disposición de ellos en un flujo cruzado (A), un chorro incidente sobre una superficie o placa base calentada (B), un chorro incidente en un flujo cruzado sobre una placa caliente (C), un chorro incidente sobre un componente montado en una pared (D) y un componente montado en la pared enfriado por una configuración de IJCF (E).. Figura 1.4 Esquema de las diferentes configuraciones de flujo.. La configuración de flujo A ha sido objeto de las más numerosas investigaciones desde el punto de vista hidrodinámico como de la trasferencia de calor. Uno de los primeros estudios experimentales más completos sobre las características del campo de flujo alrededor de un componente cúbico fue el presentado por Castro y Robins (1977). Los autores emplearon un sistema de Anemometría de Hilo Caliente (HotWire Anemometer‐HWA) para medir la velocidad del flujo alrededor de un único cubo montado sobre una placa sometido a diferentes flujos de capa límite. Estos autores demostraron que la extensión de la recirculación en la estela situada detrás del componente y el tamaño del vórtice que se produce en la parte superior del mismo dependía en gran medida del espesor de la capa límite (sin desarrollar) del flujo al que estaba expuesto el componente..

(21) 1.2 Estado del arte. 7. Los estudios experimentales presentados por Hussein y Martinuzzi (1996), Larousse et al. (1991) y Martinuzzi y Tropea (1993), siguen una idea similar a la descrita en el estudio anterior. El flujo alrededor de un único componente montado sobre la pared de un canal por el que circula un flujo turbulento completamente desarrollado fue investigado y en los tres trabajos se empleó un montaje experimental similar. El valor del número de Reynolds analizado fue de 40000 y estaba basado respecto a la altura del componente (25 mm) y la velocidad promedio. El objetivo principal consistió en detallar las características del flujo alrededor del componente las cuales son mostradas en la Figura 1.5 entre las que se encuentran el vórtice de herradura producido cerca de la cara delantera del componente (señalado con A en el dibujo), las recirculaciones de flujo sobre las caras superior (B) y lateral (C), así como el vórtice con forma de arco que se produce en la estela aguas abajo de la cara trasera (D). En estos trabajos el flujo fue analizado mediante técnicas de visualización con humo y película de aceite. En los mismos se incluyeron una descripción detallada de los campos de velocidades, las tensiones de Reynolds y momentos de orden superior alrededor del componente. Además se usaron mediciones de la presión estática alrededor del componente para establecer la relación que existe entre la caída de presión con las diferentes estructuras del campo de flujo antes mencionadas.. Figura 1.5 Representación esquemática de las estructuras del flujo alrededor de un solo componente localizado en una pared. Tomado con permiso de: Martinuzzi y Tropea (1993)..

(22) 8. Capítulo1: Introducción. Otro trabajo similar a los anteriores centrado en el estudio de las estructuras del campo de flujo fue presentado por Devarakonda y Humphrey (1993). Estos estudiaron experimentalmente el flujo turbulento cerca de la estela de un solo prisma y también en un tándem de dos prismas. El estudio se llevó a cabo en un canal de sección 735x160x160 mm3 por donde circula un flujo de aire con valores del número de Reynolds de 10000, 20000 y 30000 referido al ancho del segundo prisma. Las mediciones del campo de velocidades fueron realizadas mediante un sistema de Velocimetría de Láser Doopler (LDV). Las medidas promedio y componentes rms (root mean square) de la velocidad mostraron que la colocación de un prisma menor en línea con uno mayor hace que el flujo no posea recirculaciones y vórtices. Además los autores hallaron el número de Strouhal del flujo para el caso de un solo prisma y del tándem, el cual en el caso de un solo prisma se incrementa con la disminución de la relación que existe entre la altura del canal y la posición donde se ubica el prisma. El valor máximo del número de Strouhal en el caso de un tándem se produce cuando el prisma delantero es mucho menor que el de atrás. Además los autores determinaron la frecuencia del vórtice desprendido aguas abajo del tándem, en el caso que el prisma trasero es mayor que el delantero, obteniendo una diferencia significativa respecto al caso de un solo prisma debido a la interacción del flujo con los prismas aguas arriba y abajo. También, Okamoto et al. (1996) analizaron el campo de flujo en una matriz de 4x3 bloques, colocada en un túnel de viento de sección 200x200 mm2 y longitud 2000 mm. Los componentes estaban inmersos en un canal con flujo de capa límite y la distancia entre las caras de los componentes era igual en las direcciones X e Y, con el objetivo de investigar los diferentes regímenes de velocidad entre los elementos. El número de Reynolds igual a 990 estaba referido a la altura del componente y se empleó la técnica experimental de LDV para las mediciones de velocidad e intensidad de la turbulencia en los alrededores de los componentes. Del estudio se obtuvo como principal conclusión que el flujo se separa en el borde delantero superior del componente delantero y no se vuelve a pegar al suelo del canal en la estela del componente para separaciones entre componentes mayores a 5 veces la altura de estos, aunque en el espacio interior entre componentes aparece una gran zona de recirculación. El punto donde el flujo desprendido se vuelve a pegar al suelo del canal fue localizado para separaciones entre componentes.

(23) 1.2 Estado del arte. 9. mayores a 7 veces la altura del componente. Además la configuración donde la separación entre componentes es igual 7 posee el valor máximo de intensidades turbulentas alrededor de los componentes. Meinders (1998) y Meinders et al. (1997, 1998, 2002) estudiaron detalladamente las características del campo de flujo y la transferencia de calor para una configuración de flujo A en los casos de un solo componente cúbico, 9 en línea, un tándem de dos y una matriz de cubos. En todos los casos la altura de los componentes fue de 15 mm y los autores determinaron las zonas de separación del flujo, recirculaciones, vórtices y zonas de reattachment (donde el flujo se vuelve a pegar a las paredes). En el caso de un solo componente se empleó un flujo turbulento en desarrollo, mientras que para el resto de casos analizados el flujo fue completamente desarrollado, para valores del número de Reynolds en el rango de 2750 a 4970 basado en la altura del canal. Las mediciones del campo de flujo fueron realizadas con LDV y técnicas de visualización con humo y película de aceite. En cuanto a las mediciones térmicas fueron realizadas usando termopares tipo T y técnicas más avanzadas de cristal líquido y termografía infrarroja (IR). Los resultados mostraron las distribuciones de temperatura en las caras del componente y los mecanismos físicos que conducen a la intensificación o degradación de la transferencia de calor por convección. Además se derivaron las correlaciones del coeficiente de transferencia de calor promedio para todos los casos analizados. Para esta misma configuración de flujo (A) existen estudios experimentales cuya finalidad es el análisis de la trasferencia de calor sin describir en detalles las características del flujo alrededor del componente. El caso descrito por Igarashi (1985, 1986) e Igarashi y Yamasaki (1991) trata de las características de la transferencia de calor local en torno a dos prismas de sección cuadrada y alturas 15 y 20 mm. Ambos prismas estaban fabricados en aluminio y fueron calentados mediante una resistencia de tipo cartucho. Los experimentos se llevaron a cabo en un túnel de viento de baja velocidad con una sección de trabajo de 400 mm de altura, 150 mm de ancho y 800 mm de largo y fueron realizados para diferentes ángulos de ataque del componente de entre 0o y 45o en un rango del número de Reynolds de 5600 hasta 56000 calculados respecto a la longitud del prisma de 30 mm. Las temperaturas de la.

(24) 10. Capítulo1: Introducción. superficie alrededor del prisma y del flujo principal se midieron con termopares tipo T de 0.1 mm de diámetro. Los principales resultados obtenidos mostraron que los coeficientes de transferencia de calor promedio calculados para los ángulos de ataque 0o y 45o fueron un 40% mayor que los conocidos en la literatura para configuraciones similares. Además los autores presentaron las correlaciones del número de Nusselt promedio en cada una de las caras del prisma y de forma global para ambos ángulos de ataque. De ahí que, encontraron en el coeficiente de transferencia de calor un valor mínimo para un ángulo de ataque entre 12o y 13o y un máximo entre 20o y 25o. Otros estudios similares fueron presentados por Nakamura et al. (2001, 2003). Los autores estudiaron las características del flujo sobre la transferencia de calor en cada cara y de forma global de un componente cúbico. Además realizaron una comparación entre un componente colocado con ángulo de ataque igual a 0o y otro a 45o. El componente cúbico de lado 30 mm fue situado en un túnel de viento de baja velocidad de sección 400x300x800 mm3 y sometido a un flujo de capa límite turbulenta con velocidades de corriente libre desde 2.2 hasta 17.3 m/s. El componente y las paredes del túnel se fabricaron a partir de placas de resina acrílica. Las caras del componente y el suelo fueron cubiertos con cinco placas de acero inoxidable conectadas eléctricamente en serie para ser calentadas mediante la aplicación de una corriente alterna con el objetivo de obtener la condición de flujo de calor constante. Las temperaturas de las superficies del componente y el túnel se midieron directamente con numerosos termopares tipo T y las características de flujo también fueron investigadas mediante medidas de presión superficial y visualización de flujo por el método película de aceite. Los autores encontraron que la transferencia de calor local fue notablemente elevada en la región del vórtice de herradura formado en el frente y en ambos laterales del componente. En las caras laterales y superior del componente, el número de Nusselt local posee un máximo en las zonas de reattachment del flujo cerca de los bordes traseros, y disminuye en las zonas de recirculación de estas caras. Obtuvieron un mínimo del número de Nusselt local en los puntos de separación del flujo y en la cara frontal, la transferencia de calor fue casi constante a lo largo de la dirección vertical y aumenta hacia ambos bordes laterales. En la cara trasera, la transferencia de calor es considerablemente baja en comparación con las otras caras. Finalmente, plantearon las.

(25) 1.2 Estado del arte. 11. correlaciones que existen entre el número de Nusselt promedio y las características del flujo en cada cara y de forma global en el componente. También Natarajan y Chyu (1994) investigaron experimentalmente las distribuciones de transferencia calor y masa local, así como el efecto del ángulo de ataque entre 0 y 45ode un único componente cúbico montado en la pared de un canal abierto. El componente fue situado en un flujo de capa límite con valores del número de Reynolds en el rango de 31000 a 110000 calculado respecto a la dimensión del componente. La técnica experimental usada fue la sublimación de naftaleno y dos termopares tipo T se emplearon en la medición de la temperatura superficial del naftaleno. En este trabajo además se realizó la visualización del flujo mediante película de aceite, el cual fue mezclado con polvo de grafito colocando el componente sobre papel brillante, observándose los diferentes contrastes que se crean entre el aceite y el grafito para determinar las zonas de reattachment y separación del flujo. También encontraron que las diferencias significativas en la transferencia de masa total para las diferentes caras estaban directamente relacionadas con la compleja estructura del campo de flujo alrededor del componente. Los autores estimaron las correlaciones entre número de Sherwood y el número de Reynolds y se observó como el incremento del número segundo incrementa el valor del primero. Un estudio comparativo sobre las características de la transferencia de masa local sobre la superficie rugosa de geometrías tridimensionales básicas, tales como, cilindro, cubo, diamante, semiesfera y la pirámide fue presentado por los mismos autores Chyu y Natarajan (1991 y 1996). Los experimentos se realizaron en un túnel de viento de circuito abierto para un único número de Reynolds del flujo igual 17000 definido respecto a la altura del componente. Las mediciones para obtener la información de transferencia de calor fueron realizadas empleando la técnica de sublimación de naftaleno y demostraron que es una técnica altamente apropiada para investigar situaciones que implican altos gradientes térmicos. La visualización del flujo mediante el método de película de aceite fue usado para fundamentar los resultados. Para todos los casos estudiados se observó que la transferencia de calor por convección está ampliamente dominada por la formación del vórtice de herradura aguas arriba, así como los vórtices de la estela aguas abajo de cada elemento. Además en ambos estudios se encontró que el elemento diamante.

(26) 12. Capítulo1: Introducción. produce aguas abajo longitudes de reattachment más largas y una mejor transferencia de calor respecto al resto de elementos, seguido del cubo, pirámide, cilindro y la semiesfera. Recientemente, Yemenici et al. (2012) han estudiado experimentalmente las características del flujo y la transferencia de calor sobre varios bloques en una configuración de flujo A. Los efectos combinados de la velocidad y las características de transferencia de calor sobre varios arreglos de bloques fueron determinados tanto para flujo laminar como para turbulento. Las mediciones de velocidad y de temperatura se realizaron en un túnel de viento de baja velocidad para alturas del bloque de 10, 15 y 20 mm para velocidades de 3 m/s y 15 m/s. Los bloques empleados están recubiertos con una capa delgada de cobre para ser calentados mediante un sistema de alimentación de corriente alterna y así se obtuvo condiciones de flujo de calor casi constante. Para el estudio del campo de flujo realizaron mediciones de la velocidad e intensidad turbulenta mediante un HWA de temperatura constante. También se llevaron a cabo mediciones de presión estática registradas con un micro‐manómetro y de las temperaturas del flujo y las superficies de los bloques tomadas con varios termopares. Los resultados más relevantes alcanzados por los autores fueron la correlación para el número de Nusselt promedio en función del número de Reynolds del canal, Prandlt y la relación de alturas entre el bloque y el canal. Además encontraron los puntos de máxima transferencia de calor ubicados sobre el primer bloque y los de menor en las superficies inferiores detrás de los bloques. El estudio concluyó que el aumento de la transferencia de calor fue más notable en el flujo laminar que en el turbulento, así como para las alturas más grandes de los bloques. Como se ha mencionado los chorros incidentes proporcionan una manera eficaz y flexible para transferir energía o masa en aplicaciones industriales. Un flujo liquido o gaseoso dirigido contra una superficie de manera eficiente puede transferir grandes cantidades de energía térmica o de masa entre la superficie y el fluido. En el caso de la transferencia de calor cabe mencionar la refrigeración de materiales durante su producción, el tratamiento térmico, el calentamiento de superficies ópticas para desempañarlas, la refrigeración de componentes de una turbina, el enfriamiento de estructuras críticas de máquinas y muchos otros procesos.

(27) 1.2 Estado del arte. 13. industriales. Las aplicaciones típicas de transferencia de masa incluyen el secado y la eliminación de las pequeñas partículas superficiales. Hollworth y Durbin (1992) describen la aplicación de un chorro incidente usado en el enfriamiento electrónico a través de un estudio experimental. Estos autores realizaron experimentos para determinar el rendimiento de un sistema de chorros de aire de baja velocidad para enfriar un paquete electrónico simulado. El montaje experimental es similar al mostrado en la configuración D (Figura 1.4), se compone de una matriz regular de componentes idénticos, montados en una placa PCB. La caída de presión se midió con un sensor de presión diferencial y varios termopares fueron empleados para medir la temperatura de los componentes calentados. A partir de estas mediciones obtuvieron la caída de presión total, los coeficientes de transferencia de calor y los efectos de la estela térmica, para velocidades del chorro con valores apropiados para la refrigeración de componentes electrónicos y lo suficientemente pequeños para considerar el aire de enfriamiento como incompresible. Los autores determinaron como conclusión fundamental que el arreglo de chorros incidentes mejora el rendimiento significativamente con respecto a los métodos convencionales de enfriamiento. Además de las aplicaciones industriales, los chorros incidentes en régimen de flujo turbulento son de gran interés científico debido a las características particulares del flujo. Varios estudios experimentales y numéricos se han llevado a cabo para predecir las características del flujo y la transferencia de calor en la región de impacto de un chorro incidente. La mayoría de esos estudios se han centrado en chorros incidentes del tipo plano y redondo que actúan sobre una placa plana (configuración B en la Figura 1.4). Una de las primeras investigaciones experimentales sobre esta configuración fue realizada por Gardon y Akfiart (1965). Su estudio experimental se centró sobre el coeficiente de transferencia de calor local de un chorro incidente, mostrando que el promedio del coeficiente de transferencia de calor local producido por un único chorro plano depende de la distancia de la boquilla a la superficie de impacto y de las condiciones de flujo. Las mediciones de la velocidad y la intensidad de la turbulencia en el chorro se realizaron usando un HWA. Sakakibara et al. (1997) estudiaron experimentalmente el efecto de la estructura de vórtices y la transferencia de calor en la región de impacto de un chorro incidente plano de sección rectangular que impacta sobre una placa.

(28) 14. Capítulo1: Introducción. plana calentada uniformemente. Las mediciones se realizaron empleando Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) para una rango del número de Reynolds entre 2000 y 20000, calculado como función de la anchura de la boquilla. Los autores detectaron dos grandes vórtices aguas arribas y abajo de la zona de estancamiento y una mejora de la transferencia de calor en esa región. Determinaron también que existe un número de parámetros que pueden afectar la transferencia de calor en una configuración de chorro incidente tales como la distancia desde el chorro al punto de impacto sobre la placa, mostrando el efecto significativo sobre la distribución del coeficiente de transferencia de calor local. Lytle y Webb (1994) estudiaron el efecto de la distancia entre la boquilla y la placa de impacto sobre el coeficiente de transferencia de calor local. Estos midieron el campo de la temperatura y las estructuras del campo de flujo por medio de la técnica de termografía de infrarrojos (IR) y LDV respectivamente. Las mediciones de las estructuras del flujo revelaron un aumento significativo en la velocidad media y las fluctuaciones de la turbulencia cuando la distancia entre la boquilla y la placa se redujo. Además, un pico en el número de Nusselt local fue encontrado para altos números de Reynolds del chorro y grandes separaciones entre la boquilla y la placa. Un estudio experimental similar al anterior sobre el efecto de un chorro incidente en un espacio limitado (confinado) sobre el coeficiente de transferencia de calor local fue presentado por Colucci y Viskanta (1996), utilizando una técnica de cristal líquido termocromático para visualizar y registrar las isotermas sobre una superficie de impacto calentada uniformemente. Los experimentos se llevaron a cabo usando relaciones pequeñas entre el diámetro de la boquilla y la distancia entre la boquilla y la placa (de 0.5 a 6) y altos números de Reynolds (entre 10000 y 50000). El estudio presentó los efectos sobre el coeficiente de transferencia de calor local del número de Reynolds, la geometría de la boquilla y la separación entre la boquilla y la placa, concluyendo que el coeficiente de transferencia de calor local era más sensible a los cambios en el caso de un chorro libre no confinado que para un chorro situado en un espacio limitado. Lee y Lee (2000) presentan un estudio experimental sobre un chorro elíptico incidente, estos autores analizaron el efecto que posee la relación de aspecto de la boquilla sobre las características de transferencia de calor en la región de impacto. Las mediciones del campo de temperaturas fueron realizadas por medio de.

(29) 1.2 Estado del arte. 15. termometría de cristal líquido termocrómatico con un sistema de procesamiento de imagen digital y la estructura del campo de flujo se visualizó utilizando la técnica de hilos de humo. Así mismo, se emplearon caudalímetros para la medición del caudal volumétrico que circula por la instalación así como termopares para medir la temperatura del fluido. El estudio concluyó que para grandes separaciones entre la boquilla y la placa las tasas de transferencia de calor en la región de estancamiento de un chorro elíptico incidente eran más pequeñas que las de uno circular. Obtuvieron también la correlación del número de Nusselt promedio en la región de impacto respecto a la relación de aspecto y la separación entre la boquilla y la placa. Otros estudios experimentales se centraron en el análisis de las principales estructuras y la transferencia de calor del chorro incidente con y sin flujo cruzado (configuraciones B y C en la Figura 1.4). Uno de los trabajos que abarca ambas configuraciones fue presentado por Goldstein y Behbahani (1982) y analizó el comportamiento del coeficiente local de transferencia de calor sobre una placa calentada. Las mediciones de temperatura para la determinación de los flujos de calor se realizaron utilizando 30 termopares situados en la placa de ensayo para separaciones entre el chorro y la placa de 6 y 12 veces el diámetro de la boquilla. Para las máximas distancias entre el chorro y la placa, el número de Nusselt máximo disminuyó con el aumento del flujo cruzado. Para la separación adimensional entre el chorro y la placa igual 6, el número de Nusselt máximo se incrementó con un flujo cruzado moderado. Para las mismas configuraciones de flujo Popiel y Trass (1991) estudiaron un chorro incidente libre (sección circular) mediante visualización de humo, mostrando las características de las estructuras de vórtices del chorro y la interacción entre los vórtices detectados. Un estudio experimental realizado por Beitelmal et al. (2000) analizó el efecto en el coeficiente de transferencia de calor de la inclinación de un chorro de sección rectangular sobre una placa plana calentada de manera uniforme. Las mediciones de temperatura en la superficie de la placa fueron tomadas con 11 termopares tipo T y los números de Nusselt locales se determinaron como una función de tres parámetros, el ángulo de inclinación, la distancia de la boquilla a la placa y el número de Reynolds. El análisis mostró que una región de máxima transferencia de calor aparece aguas arriba del punto de impacto geométrico y que el número de Nusselt máximo disminuye cuando el ángulo de inclinación.

(30) 16. Capítulo1: Introducción. decrece. Un estudio similar al anterior fue presentado por Yan y Saniei (1997), en el cual se investigaron los efectos que tiene un ángulo oblicuo del chorro incidente en la distribución local de transferencia de calor por convección sobre una placa plana. El chorro incidente usado era de sección circular y el número de Reynolds del flujo de aire del chorro se varió entre 10000 y 23000 calculados a partir del diámetro del chorro. La técnica experimental utilizada fue cristal líquido para una pared precalentada. Los resultados en la distribución de transferencia calor locales mostraron un patrón asimétrico respecto del eje y el punto con máximo coeficiente de transferencia de calor se desplaza desde el punto de impacto geométrico hacia el lado de compresión de la placa. El trabajo experimental presentado por Lim et al. (2001) sobre una configuración de flujo C (ver Figura 1.4) analizó las estructuras de los vórtices cerca de la salida de un chorro de sección circular. Los experimentos fueron realizados en un canal de recirculación de agua con sección cuadrada de 0.4x0.4 m2. La visualización de flujo se realizó mediante un colorante fluorescente disódico en combinación con una lámina de luz láser de argón. El estudio mostró la formación de grandes estructuras de vórtices en el flujo del chorro introducido normalmente en un flujo cruzado. Entre las estructuras detectadas se encontraron los vórtices de anillo típicos de este tipo de configuraciones de flujo. Además, los autores proporcionaron una representación realista del movimiento a gran escala del chorro en flujo cruzado para varias relaciones de velocidad entre el chorro y el flujo cruzado todas superiores a 1.0. Una configuración de flujo similar a la B (ver Figura 1.4) para un solo chorro y un arreglo de estos fue presentado por Geers et al. (2004). Los autores mostraron a través de un estudio experimental los resultados de la medición cuantitativa de la velocidad promedio y fluctuante en un solo chorro incidente y múltiples utilizando las técnicas de LDV y PIV. Para ambas configuraciones de chorros analizaron en detalles la región de impacto del chorro y los campos de esfuerzos turbulentos se caracterizaron por presentar una fuerte anisotropía. En el caso de chorros múltiples, el chorro ubicado en la posición central del arreglo presentó la más alta energía cinética turbulenta debido a la fuerte interacción con el gran número de chorros circundantes. Del mismo modo, la interacción entre chorros fue causada principalmente por la fuerte deflexión hacia arriba del flujo como resultado de la colisión de la pared.

(31) 1.2 Estado del arte. 17. del chorro. En el segundo estudio experimental que presentaron Geers et al. (2005) analizaron las estructuras de vórtices en un arreglo de chorros incidentes el línea y hexagonal. El estudio fue realizado mediante mediciones de PIV en un túnel de viento construido específicamente para ese estudio. Para la configuración hexagonal de los chorros no aparece un efecto significativo en la interacción entre estos a partir de una distancia de 26 mm con respecto al centro de la configuración hexagonal, pero por debajo de esta posición los chorros fueron perturbados por los vórtices procedentes de la interacción entre los chorros y la superficie de impacto. La configuración de flujo C de la Figura 1.4 también ha sido estudiada experimentalmente por Barata y Duraõ (2004). Aunque en este caso los autores se centraron sólo en el estudio usando la técnica del LDV del campo de flujo resultante de la interacción de un solo chorro contra una pared después de penetrar en un flujo cruzado. Estos encontraron la formación de un vórtice de herradura en la parte delantera del chorro formado a partir de la interacción entre este y el flujo cruzado como se ve en la Figura 1.6. Además determinaron la influencia que tiene la relación de velocidad entre el chorro y el flujo cruzado sobre las principales características geométricas del vórtice tales como el tamaño, la altura y la posición del punto central para dos regímenes de flujo diferentes.. Figura 1.6 Configuración de flujo resultante de un chorro incidente en un flujo cruzado. Tomado de Barata y Duraõ (2004)..

(32) 18. Capítulo1: Introducción. Como fue mencionado en el apartado 1.1 una alternativa posible para gestionar toda la carga térmica en el enfriamiento de un sistema electrónico evitando el exceso de caudales de aire es utilizar un chorro de aire incidente sobre el componente más disipativo en conjunto con un canal de flujo (configuración de flujo IJCF), tal como se muestra en la configuración E de la Figura 1.4. El trabajo experimental presentado por Tummers et al. (2005), estudió este tipo de configuración la cual se asemeja a la configuración básica que se estudia en esta tesis. El montaje experimental consistía en cinco cubos en línea de igual altura (15 mm), en la cual sólo se calienta el tercero y es enfriado mediante la configuración de IJCF. Estos componentes se localizaron en túnel de viento de baja velocidad similar al presentado por Meinders (1998) con una sección de 300x30 mm2 y una longitud de 1000 mm. Los autores emplearon una velocidad media del canal de 2.4 m/s y para el chorro de 6.5 m/s. A través de las técnicas experimentales de PIV y termografía IR las estructuras del campo de flujo y la distribución de temperatura superficial del componente fueron estudiadas para dos posiciones de la boquilla del chorro. La primera con el chorro centrado sobre la cara superior del componente y la segunda con un desplazamiento de 8 mm aguas arriba respecto al centro del componente. Para la última posición, el coeficiente de transferencia de calor total presentó sus máximos valores. Es importante destacar que este estudio experimental es uno de los pocos que existe sobre la configuración de flujo E, por lo que es uno de los más citados en la literatura. Las configuraciones de flujo presentadas en la Figura 1.4 no solo han sido estudiadas de forma experimental sino también mediante modelación matemática y simulación numérica, siendo este tipo de trabajos los más numerosos. Behnia et al. (1999) presenta un análisis numérico llevado a cabo sobre las configuraciones de flujo C y D para determinar la influencia sobre la transferencia de calor producida por el chorro de los parámetros geométricos tales como, la distancia entra boquilla y la placa, la geometría de la superficie de choque y el confinamiento del chorro. Empleando el modelo de turbulencia v2‐f de Durbin (1991) realizó el estudio de la influencia de cada parámetro antes mencionado y los resultados se validaron con los experimentos presentados por Lytle y Webb (1994) y Colucci y Viskanta (1996). Analizó además la configuración de flujo con el modelo k‐ε presentado por Launder y Spalding (1974) y observó que dicho modelo no representa correctamente las.

(33) 1.2 Estado del arte. 19. características del flujo y su efecto sobre la transferencia de calor dando un comportamiento poco realista. Además el confinamiento del chorro mostró tener poco efecto sobre el coeficiente de transferencia de calor excepto para muy bajas separaciones entre la boquilla y la placa de impacto. En la Figura 1.7 se pueden ver algunos de los resultados obtenidos por los autores antes mencionados.. Figura 1.7 Número de Nusselt del chorro incidente sobre una placa plana. (a): Experimentos para Re=23000 y separación entre la boquilla y la placa (H/D) de 6, (b): Experimentos para H/D=1 y (c): Comparación de la simulación con los experimentos para H/D=6 y Re=23000. Tomado de: Behnia et al. (1999).. Hadziabic y Hanjaliç (2008) estudiaron las estructuras de vórtices y la transferencia de calor producida por un chorro incidente circular en una configuración de flujo B (ver Figura 1.4). El estudio numérico se resolvió modelando la turbulencia mediante la aproximación de Large Eddy Simulation (LES). El flujo de aire del chorro incidente fue producido a través un tubo largo con valores del número de Reynolds igual 20000 calculado respecto al.

(34) 20. Capítulo1: Introducción. diámetro del tubo y una relación entre la distancia de la boquilla y la placa de impacto igual 2. El montaje anterior corresponde a la configuración experimental investigada por Baughn y Shimizu (1989) y Geers et al. (2004, 2005). Los resultados mostraron que las tres zonas principales del chorro, el chorro libre, la región de estancamiento y la región de pared del chorro, (ver partes principales del chorro en Figura 1.8) muestran cada una de manera distinta la dinámica del flujo con una serie de características propias. El efecto dominante que gobierna al flujo y la transferencia de calor son los vórtices de anillo, generados por la inestabilidad en la capa de cortadura inicial que se da en la pared exterior del chorro. Además de esto último encontraron que la distribución del número Nusselt local en la configuración del chorro considerado se caracterizó por dos máximos locales. El valor más alto del número de Nusselt local se produjo en el centro de la región de estancamiento, así como un máximo local de la energía cinética turbulenta en esta región fue casi tres veces menor que la energía máxima turbulenta del flujo en el tubo. Esto indica que el número de Nusselt máximo no puede ser consecuencia de la turbulencia, sino más bien de las variaciones que existen en la posición de impacto del chorro sobre la placa.. Figura 1.8 Configuración de flujo de un chorro incidente redondo con las regiones de los diferentes regímenes de flujo. Reproducido de Geers et al. (2004)..

(35) 1.2 Estado del arte. 21. El caso de un componente caliente enfriado mediante la combinación de un flujo cruzado y chorro incidente (configuración E, Figura 1.4), ha sido estudiado numéricamente por Rundström y Moshfegh en varios trabajos (2006, 2007, 2008 y 2009). Estos autores han presentado uno de los más completos análisis respecto a esta configuración utilizando un modelo matemático del flujo basado en Reynolds Averaged Navier‐Stokes Equations (RANS). Rundström y Moshfegh (2006 y 2008) han presentado un estudio paramétrico mediante un modelo matemático RANS empleando el modelo de turbulencia Reynolds Stress Model (RSM), habiéndose comprobado que este modelo de segundo orden proporciona unas mejores predicciones del flujo y la transferencia de calor que los modelos de viscosidad turbulenta (v2‐f). La influencia de las velocidades del chorro sobre los coeficientes de transferencia de calor promedio en cada cara del componente se investigó en Rundström y Moshfegh (2006) y los resultados se compararon con la técnica convencional de enfriamiento usando un único flujo del canal, conocido por sus siglas en inglés como Cross Flow (CF). El rango de velocidad del chorro incidente se extendió en Rundström y Moshfegh (2008), donde se estudió la influencia de la distancia entre la placa superior e inferior del canal sobre la transferencia de calor promedio en cada cara componente y las pérdidas de energía mecánica. Rundström y Moshfegh (2009) también proporcionaron una investigación detallada sobre la predicción del campo de velocidad medio, las características de la turbulencia y la transferencia de calor total a través de una modelación LES de la turbulencia. Los resultados fueron verificados mediante la comparación respecto a los experimentos de Tummers et al. (2005). Dichos resultados revelaron que la estructura del campo de flujo es altamente compleja y que existen varios fenómenos relacionados con el flujo que influyen directamente en la trasferencia de calor, tales como puntos de estancamiento, separaciones, recirculación y efectos de curvatura del flujo. Así mismo, recientemente Popovac y Hanjaliç (2009) realizaron una simulación LES de la configuración de flujo E similar a la realizada por Rundström y Moshfegh pero para el caso del chorro descentrado 8 mm aguas arriba respecto del centro del componente. Para validar también se emplearon los resultados experimentales de Tummers et al. (2005). En las simulaciones se usaron valores del número de Reynolds similares a los del estudio experimental y los resultados revelaron algunas de las principales características del campo de flujo (ver Figura 1.9).

(36) 22. Capítulo1: Introducción. como la interacción entre las dos corrientes y los componentes que conduce a la formación de complejas estructuras de vórtices que influyen fuertemente sobre la transferencia de calor. El desplazamiento hacia adelante del chorro asegura que la cara frontal del componente se enfría muy bien y además debido a la interacción entre el chorro incidente y el flujo cruzado, cerca de las caras laterales del componente se crean los vórtices de borde, por lo tanto, su refrigeración se mejora ya que las caras entran en contacto con fluido fresco. La peor refrigeración se encuentra en la cara trasera ya que hay poca entrada de fluido fresco, debido al establecimiento del vórtice arco detrás del componente, que atrapa y hace recircular el fluido caliente en esa región.. Figura 1.9 Estructuras del flujo alrededor del componente para la magnitud de la velocidad instantánea (izquierda) y reproducción de la morfología de los vórtices (derecha). Tomado de: Popovac y Hanjaliç (2009).. Como se ha observado en la literatura revisada son muchas las variables que afectan las características del flujo y la transferencia de calor de un componente o una placa base. De ahí que el uso de determinadas herramientas estadísticas pueda ser aplicado a este tipo de estudio ya sea experimental como numérico. Recientemente, el Diseño de Experimentos (DoE) viene siendo usado en diversas aplicaciones tanto en la industria como en la investigación. El término de Diseño de Experimentos abarca un gran número de actividades y puede ser definido como una metodología para aplicar sistemáticamente la estadística al proceso de experimentación, Tanco et al. (2009). La aplicación del DoE a los estudios experimentales ofrece la ventaja de poder analizar el efecto sobre una o varias variables respuestas que.

(37) 1.2 Estado del arte. 23. poseen varios parámetros los cuales se desean experimentar realizando cambios intencionados en estos de manera tal que se puede observar e identificar las razones de estos cambios en el proceso investigado. Además, el uso de esta técnica estadística posibilita disminuir el número de experimentos a realizar y los costes de la investigación asegurando la calidad de los resultados. El trabajo presentado por Celik y Turgut (2012) fue un estudio experimental empleando el DoE para el análisis de un chorro incidente como se muestra en la configuración de flujo B de la Figura 1.4. El objetivo principal del estudio fue determinar los efectos y el valor óptimo de cada parámetro sobre el número de Nusselt promedio mediante el uso del método de Taguchi en el diseño experimental. Los resultados experimentales empleados en el diseño de experimentos y una descripción del montaje experimental fueron presentados previamente en el trabajo de Celik (2011). Los parámetros analizados fueron la distancia entre el chorro y la superficie de impacto, el número de Reynolds que varía en el rango de 20000 a 40000, la rugosidad de la superficie de impacto y el tipo de chorro (circular y coaxial). Para el estudio los autores tomaron la matriz ortogonal de Taguchi del tipo L8(41x23), lo que significa que se realizaron 8 experimentos para 4 niveles de cada parámetro. El resultado más interesante del estudio mostró que el parámetro dominante en la transferencia de calor fue el número de Reynolds. Otros resultados interesantes fueron que en el caso de la superficie rugosa el número de Nusselt promedio fue mayor que en la superficie lisa y que el aumento de la separación entre el chorro y la placa base hace que el número Nusselt disminuya. Estos autores encontraron además que el uso del chorro coaxial en lugar del circular produce una mejor eliminación del calor. Otro estudio donde se ha aplicado el DoE fue el presentado por Norris (1998). Aunque este estudio no enfoca ninguna de las configuraciones de flujo descritas en la Figura 1.4, su ilustración permite ver cuán útil puede ser el uso del DoE en problemas de transferencia de calor. El estudio evalúa el efecto de las condiciones de contorno desconocidas en problemas de transferencia de calor. El objetivo de la investigación fue identificar los regímenes de transferencia de calor presentes en los conductos de la válvula de puente en el cabezal del cilindro de un motor diesel. Para esta investigación los resultados.

(38) 24. Capítulo1: Introducción. experimentales se utilizaron en combinación con un modelo de elementos finitos para determinar los coeficientes de transferencia de calor. El diseño experimental seleccionado para este análisis fue el método de Taguchi de matriz ortogonal L36 para 16 parámetros elegidos. Los autores mostraron que el método presentado puede servir como una guía durante el procedimiento del diseño experimental y además en que no sólo se disminuye la incertidumbre de los resultados, sino también la reducción de coste y el esfuerzo experimental. También Dowding y Blackwell (1999) han empleado el DoE con el objetivo de investigar las condiciones experimentales óptimas para conocer la dependencia de la temperatura con las propiedades térmicas de materiales de conductividad relativamente baja, como por ejemplo, las espumas de poliuretano. En los experimentos fueron utilizados calentadores eléctricos para proporcionar un flujo de calor conocido sobre una superficie del material estudiado. Partiendo de esta configuración se analizaron dos casos, el primero denominado cuerpo finito fue en el cual la superficie opuesta a la calentada se consideró isotérmica y en el segundo el material fue lo suficientemente grueso de tal manera que la cara opuesta a la superficie calentada no experimenta ningún aumento de la temperatura durante la duración del experimento, este caso se llamó cuerpo semi‐infinito. Ambos casos fueron realizados en un laboratorio especial para los materiales de baja conductividad y así poder obtener el caso óptimo. El estudio se realizó para cuatro parámetros determinados y se obtuvo que el caso finito produjo los valores más altos del óptimo respecto al caso semi‐infinito. Otra posibilidad que ofrece el DoE es la de poder ser aplicado en temas de simulación numérica como es el caso del estudio presentado por Sanchez et al. (2013). Los autores analizaron el efecto sobre la transferencia de calor y las pérdidas de carga de cinco parámetros principales que fueron el número de Reynolds del canal, la relación entre la velocidad del chorro y la del canal, la altura del componente, el diámetro del chorro y el desplazamiento del chorro respecto al centro del componente. La configuración de flujo empleada en el estudio fue muy similar a la empleada en la presente tesis (configuración E de la Figura 1.4) y el diseño escogido para el análisis de los efectos principales de cada parámetro y sus interacciones fue el de Box‐Behnken. Este diseño se.

(39) 1.2 Estado del arte. 25. empleó teniendo en cuenta tres valores diferentes (niveles) de los cinco parámetros, de modo que se realizaron 41 simulaciones en 19 configuraciones geométricas diferentes. Los valores elegidos por los autores para los niveles de cada parámetro pueden ser considerados en aplicaciones de la industria electrónica. Entre los principales resultados se destacó que el número de Reynolds del canal y la relación de velocidades fueron los parámetros de mayor influencia sobre el número de Nusselt promedio. En cuanto a las pérdidas de carga se vieron afectadas principalmente por los parámetros citados incluyendo la relación entre diámetro del chorro y la altura del canal. Los autores también encontraron algunas interacciones significativas entre parámetros que afectaron en gran medida a las respuestas. En el caso del número de Nusselt promedio las interacciones más importantes fueron entre la relación de velocidades y la altura del componente y entre el diámetro del chorro con el desplazamiento del mismo, todos estos en relación con la altura del canal. En el caso de las pérdidas de carga sólo la interacción entre la relación de velocidades y la relación diámetro con la altura del canal fue determinada como significativa. Además en el estudio se determinaron las combinaciones óptimas de los parámetros en términos del número de Nusselt y de la potencia de las pérdidas de carga y se compararon los resultados con el método convencional de refrigeración CF. De ahí se obtuvo que los mayores valores del número de Nusselt promedio se alcanzaron en la configuración de IJCF que con la configuración CF para una misma potencia de las pérdidas de carga. Cabe destacar que este último estudio está muy ligado al desarrollo experimental del estudio que se presentará en el Capítulo 4 de la presente tesis. En general, el análisis de la literatura revisada ha desvelado que la configuración de flujo IJCF posee un gran interés científico como para ser estudiada y usada en la refrigeración de componentes electrónicos. Así mismo se pudo observar que esta configuración de flujo ha sido muy poco estudiada experimentalmente, la mayoría de trabajos son numéricos y están más centrados en probar la bondad de los modelos que en analizar la propia configuración. También se ha podido ver que el Diseño de Experimentos puede ser aplicado en diversos fenómenos tanto a nivel de investigación como industrial. Aunque es válido destacar que en temas de transferencia de calor y mecánica de fluidos ha sido poco aplicado. Específicamente en el tema que.

(40) 26. Capítulo1: Introducción. abarca este trabajo no se ha encontrado ningún artículo experimental donde se haya empleado el DoE.. 1.3 MOTIVACIÓN DE LA TESIS En el año 2007 surgió una colaboración del Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos (AITF) del Departamento de Ingeniería Mecánica de TECNUN (Universidad de Navarra) y la Division of Energy Systems, Department of Management and Engineering. Linköping University in Sweden liderada por el Profesor Baraham Moshfegh. Como parte de la colaboración entre ambos centros el profesor Moshfegh visitó el AITF y durante sus estancias surgieron algunas ideas para la realización de un proyecto en conjunto. A partir de ahí se tuvo noticia de que el Profesor Moshfegh y Sr. Daniel Rundström de la Division of Energy and Mechanical Technology, Department of Technology and Built Environment at the University of Gävle habían trabajado y obtenido algunos resultados numéricos de un estudio titulado “Numerical Investigation of the Turbulent Flow and Heat Transfer around a Heated Cube Cooled by an Impinging Jet in a Cross‐Flow”. Tomando como base el estudio anterior se realizó una revisión de la literatura científica sobre el tema y se observó que no existen estudios experimentales sobre la influencia de los parámetros de una configuración de flujo IJCF como la que se estudia en la presente tesis. Tampoco existe desde el punto de vista energético una comparación entre el IJCF con el método convencional de refrigeración CF. Además se ha podido observar que el empleo de chorros incidentes ha demostrado ser una mejora considerablemente en los procesos de enfriamiento. De hecho como se menciona en la revisión bibliográfica, muchos estudios numéricos y experimentales se han realizado en las dos últimas décadas sobre el flujo y la transferencia de calor en un chorro incidente, principalmente por su interés industrial y su idoneidad para las pruebas de modelos de turbulencia. Sin embargo, como ha sido mencionado apenas existen estudios experimentales destinados al análisis de un chorro incidente en una configuración de flujo cruzado para refrigerar un componente electrónico. Partiendo de esto, un proyecto titulado “Refrigeración de componentes electrónicos combinando una corriente forzada y un chorro incidente” fue subvencionado por del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España a través del programa de I+D.