CARACTERIZAÇÃO DE UMA ESTRUTURA CAPILAR DE PÓ DE COBRE SINTERIZADO PARA APLICAÇÃO EM TUBOS DE CALOR

CARACTERIZAÇÃO DE UMA ESTRUTURA CAPILAR DE PÓ DE COBRE SINTERIZADO PARA APLICAÇÃO EM TUBOS DE CALOR

G. A. Bartmeyer, L. Krambeck, D. Fusão & T. Antonini Alves

Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR/Câmpus Ponta Grossa Av. Monteiro Lobato, s/n°, km 04, CEP 84.016-210, Ponta Grossa/PR, Brasil thiagoaalves@utfpr.edu.br

RESUMO

O presente trabalho apresenta a caracterização de uma estrutura capilar de pó de cobre sinterizado para aplicação em tubos de calor. Esta estrutura é a responsável pelo bombeamento capilar do fluido de trabalho no interior dos dispositivos passivos de transferência de calor. O pó metálico foi caracterizado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectrometria de Fluorescência de Raios-X por Dispersão de Energia (ED-XRF) e Granulometria por Difração a Laser. O processo de sinterização ocorreu a uma taxa de aquecimento de 20°C/min, com permanência de 15 minutos em uma temperatura de 800°C. A porosidade da estrutura sinterizada foi caracterizada por Picnometria a Hélio e caracterização física pelo Método de Arquimedes. A permeabilidade e o raio crítico da estrutura sinterizada foram determinados pelo Ensaio de Extrusão Capilar baseado na Norma MPFI Standard 39. A condutividade térmica da estrutura sinterizada foi determinada pelo Princípio da Placa Quente Protegida.

Palavras-chave: estrutura capilar, pó sinterizado, caracterização, tubo de calor.

INTRODUÇÃO

Tubos de calor são dispositivos passivos de transferência de calor conhecidos como supercondutores de calor, devido a utilização do calor latente de vaporização de um fluido de trabalho em um ciclo bifásico fechado1_{. Um tubo de calor é} constituído basicamente por três componentes: um invólucro, um fluido de trabalho e uma estrutura capilar.

A estrutura capilar é responsável pelo bombeamento capilar do fluido de trabalho no interior do tubo de calor. As estruturas capilares de pó metálico sinterizado têm sido amplamente aplicadas em tubos de calor devido a ação da gravidade ter um menor efeito em seu desempenho térmico.

Para compreender como ocorre o processamento de um pó é necessário entender primeiramente a natureza do pó 2_{. O microscópio eletrônico de varredura é}

uma das melhores ferramentas disponíveis para a observação das características discretas de um pó metálico, tais como material, método de fabricação do pó, tamanho e formato das partículas.

O tamanho de partícula de um pó metálico é uma das mais importantes características da metalurgia do pó, que é normalmente analisada com base em um parâmetro geométrico (diâmetro, área de superfície, dimensão máxima, volume, entre outras) e considerando um formato de partícula esférico. Existem diversas técnicas de medição do tamanho, entre elas: microscopia, peneiramento, sedimentação, difração a laser e raio-X3_.

O pó metálico mais comumente utilizado em estruturas capilares de tubos de calor é o pó de cobre, devido a sua elevada compatibilidade, alta condutividade térmica e facilidade de processamento nas etapas posteriores da construção do tubo de calor1_.

Para estruturas capilares em tubos de calor, as propriedades mais importantes de serem caracterizadas são as relativas a estrutura dos poros e a condutividade térmica, pois são responsáveis pelo bombeamento capilar e pela transferência de calor, respectivamente. Dentre as principais características a serem avaliadas destacam-se, a porosidade, o tamanho do poro (raio crítico), permeabilidade e condutividade térmica4_.

A porosidade fornece a fração de vazios no volume total da estrutura capilar, que varia de 0 a 1, pode ser expressa em porcentagem. A porosidade interfere em todas as propriedades finais da estrutura porosa e está principalmente relacionada com a força capilar da estrutura porosa e ao raio crítico do poro, que é o raio efetivo calculado a partir da medição do diâmetro máximo do poro. A permeabilidade é a resistência ao escoamento de um fluido através de um meio poroso que diminui com a redução dos tamanhos dos poros5_{. A condutividade térmica efetiva é propriedade} de um determinado material em transferir calor por condução.

O presente trabalho apresenta a caracterização de um pó de cobre e da estrutura capilar sinterizada, obtida a partir desse pó de cobre, para aplicação em tubos de calor. Além disso, os resultados experimentais do desempenho térmico do tubo de calor são avaliados, de forma a viabilizar o uso desta estrutura capilar sinterizada.

METODOLOGIA

Caracterização do Pó de Cobre

A estrutura capilar sinterizada foi fabricada a partir de um pó de cobre XF obtido por meio de atomização a gás, apresentado na Figura 1. Um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) TescanTM _{VEGA3 do Laboratório de Caracterização} de Materiais do DAMEC/UTFPR/PG foi utilizado na caracterização do formato das partículas do pó de cobre. Como resultado foi obtida uma micrografia das partículas de cobre, com ampliação de 500x.

Figura 1 – Pó de cobre utilizado.

A composição química do pó metálico de cobre foi determinada por um Espectrômetro de Fluorescência de Raios-X por Dispersão de Energia (ED-XRF)

ShimadzuTM _{EDX -7000 do Laboratório Interdisciplinar de Materiais Cerâmicos da} Universidade Estadual de Ponta Grossa (LIMAC/UEPG).

Para a determinação do tamanho médio de partículas foi aplicada a Granulometria por Difração a Laser. A técnica consiste no espalhamento de luz em uma amostra de pó dispersa em meio aquoso. Um Granulômetro CilasTM _{920, do} Laboratório Interdisciplinar de Materiais Cerâmicos da Universidade Estadual de Ponta Grossa (LIMAC/UEPG), para uma faixa entre 0,3μm e 400μm foi utilizado para a medição dos tamanhos das partículas por meio da Técnica de Difração de

Fraunhofer. Neste ensaio de distribuição granulométrica foi empregado álcool como

agente dispersante sob agitação via ultrassom, por um período de 60 segundos.

Processo de Sinterização

O aparato experimental utilizado no processo de sinterização da estrutura capilar, Figura 2, foi composto por um forno tubular horizontal IntiTM _{FT-1200 com}

atmosfera controlada, um sistema de aquisição de dados AgilentTM _{34970A e por um} notebook DellTM_{. O gás utilizado no controle de atmosfera foi uma mistura de 95% de} Argônio e de 5% de Hidrogênio. Para avaliação da temperatura no interior do forno foi utilizado um termopar Omega EngineeringTM _{do tipo K.}

Figura 2 – Aparato experimental utilizado na sinterização de pó metálico.

O procedimento de sinterização ocorreu em uma taxa de aquecimento de 20°C/min, com permanência de 15 minutos em uma temperatura de 800°C e posterior resfriamento por convecção forçada de ar. A curva térmica do procedimento de sinterização, obtida pelo termopar instalado dentro do forno, é apresentada na Figura 3.

Caracterização da Estrutura Capilar Sinterizada

Na Figura 4 é mostrada uma fotografia da estrutura capilar obtida através da sinterização de pó de cobre em um tubo reto de cobre. Esta estrutura é caracterizada em relação aos principais parâmetros, são eles: porosidade, permeabilidade, raio crítico e condutividade térmica. Além disso, sua microestrutura foi caraterizada por meio de um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) com ampliação de 500x.

Figura 4 – Estrutura capilar de pó de cobre sinterizado.

Porosidade

Testes de Picnometria a Hélio e caracterização física pelo Método de Arquimedes foram realizados no Laboratório Interdisciplinar de Materiais Cerâmicos da Universidade Estadual de Ponta Grossa (LIMAC/UEPG) para a determinação da porosidade da estrutura. Três amostras foram fabricadas, pelo mesmo processo e parâmetros de sinterização dos tubos de calor, com diâmetro e altura de 20 mm e testadas em um Picnômetro Quantachrome InstrumentsTM _{Ultrapycnometer 1000.}

Permeabilidade

Para a determinação da permeabilidade da estrutura capilar foi realizado um ensaio de extrusão capilar, baseado na Norma MPFI Standard 396_{. Três amostras} foram fabricadas com um diâmetro de 28,66 mm e altura de 3,18 mm e com a mesma curva de sinterização empregada anteriormente.

Para tal, uma bancada experimental composta por um compressor VonderTM_, um sistema de preparação de ar com regulador de pressão e manômetro

PressureTM_{, um fluxômetro Protec}TM_{, manômetro digital Digitron}TM_{, uma válvula} reguladora e uma seção de testes foi utilizada para a medição da permeabilidade de ar na estrutura sinterizada (Figura 5). Esta bancada foi desenvolvida e construída no Laboratório de Meios Porosos e Eficiência Energética (LabMPEE) do DAMEC/

UTFPR/PG. Um escoamento de ar comprimido é liberado no sistema até chegar na seção de teste com a amostra, a vazão de ar é controlada pelo fluxômetro e a diferença de pressão é registrada pelo manômetro digital.

(b) Seção de testes da amostra

(a) Bancada experimental

Figura 5 – Bancada experimental para determinação de permeabilidade.

A partir desses dados experimentais, a permeabilidade foi calculada pelo regime de Darcy, como mostrado na Equação (A).

(

)

sendo que, Q é a vazão volumétrica [m3_{/s], K}

1 é a permeabilidade Darciana [m2],

Ast é a área da seção transversal da amostra [m2], μ é a viscosidade dinâmica do gás [Pa.s], t é a espessura da amostra [m], e p1 e p2 são as pressões absolutas de entrada e de saída [Pa], respectivamente.

Raio Crítico

Para a medição do raio crítico da estrutura capilar foi utilizada a Norma MPFI

Standard 396_{. A mesma bancada experimental da determinação da permeabilidade} e as amostras foram utilizadas nesse teste.

As amostras foram imersas em álcool isopropílico 99,8% por 24 horas. Após este procedimento, foram fixadas na seção de testes e 2 mL de álcool foram derra-mados sobre as amostras. A pressão do ar foi aumentada gradativamente e lentamente. Foi observada a superfície da amostra e realizada a leitura da pressão de saída no manômetro digital quando ocorreu a nucleação da primeira bolha de ar.

A pressão encontrada é relativa ao diâmetro máximo de poro. Para a determinação do raio crítico, rc, foi utilizada a pressão encontrada na Equação (B).

c l σ cos θ r p ρ gh 2 = − (B)

sendo que, σ é a tensão superficial do álcool [N/m] na temperatura de 20°C medida durante o ensaio, θ é o ângulo de conta (assumido cos θ = 1 considerando perfeito molhamento), p pressão da nucleação da primeira bolha [Pa], ρl é a massa específica do álcool [kg/m3_{], g é a aceleração da gravidade [m/s}2_{] e h é a altura de} líquido [m].

Condutividade Térmica

A condutividade térmica efetiva da estrutura capilar de pó de cobre sinterizada foi determinada por meio de uma bancada experimental baseada no princípio da placa quente protegida – uma adaptação da NBR 15220 Parte 047_{. Esta bancada foi} desenvolvida e construída no Laboratório de Meios Porosos e Eficiência Energética (LabMPEE) do DAMEC/ UTFPR/PG.

Esta bancada experimental, mostrada na Figura 6, foi composta por um

notebook DellTM_{, um nobreak NHS}TM _{de 1200 VA, um sistema de aquisição de dados}

AgilentTM _{34970A com um multiplexador Agilent}TM _{34901A de 20 canais, duas} unidades de fonte de alimentação PolitermTM _{16E, um sistema de controle} computadorizado ArduinoTM _{para a placa quente, um banho ultratermostatizado}

SOLABTM _{SL-130 e um rotâmetro de área variável Omega Engineering}TM _F-L2051 com válvula reguladora.

Figura 6 – Aparato experimental para determinação da condutividade térmica. A seção de testes foi composta por uma placa quente (P1) que promove o fluxo de calor para a amostra por meio de uma potência dissipada em duas resistências em cartucho, uma placa quente (P2) aquecida por duas resistências em cartucho e controlada pelo sistema de ArduinoTM _{que garante que todo o fluxo de calor será} direcionado no sentido da amostra, a amostra (37,5 mm x 37,5 mm) e uma placa fria (P3) que promove a face fria para a amostra por meio do banho ultratermostatizado. Toda a seção de testes, Figura 7, é isolada do ambiente externo por um isolamento aeronáutico 3MTM _{MTI Polyfab}TM_.

A partir dos testes experimentais, a condutividade térmica da estrutura capilar, kmp, pode ser calculada a partir da Equação (C).

(

)

sendo que, Atr é a área da seção transversal da amostra [m2], Tq e Tf são, respectivamente, as temperaturas da superfície quente [K] e da superfície fria [K] da amostra sinterizada e δ é a distância entre os termopares [m].

Características do Tubo de Calor

A partir da estrutura capilar sinterizada, o tubo de calor pode ser construído. As principais características geométricas do tubo de calor são mostradas na Tabela 1. O fluido de trabalho utilizado foi água deionizada com razão de preenchimento de 100% do volume do evaporador. Maiores informações podem ser encontradas em Krambeck8_.

Tabela 1 – Característica do tubo de calor sinterizado.

Parâmetro Valor

Diâmetro interno do tubo [mm] 7,75 Diâmetro externo do tubo [mm] 9,45 Diâmetro interno da estrutura capilar [mm] 4,75 Comprimento do Evaporador [mm] 80 Comprimento da Região Adiabática [mm] 20 Comprimento do Condensador [mm] 100

Fluido de trabalho Água deionizada

Razão de preenchimento [%] 100

Quantidade do fluido de trabalho [mL] 2,83

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O pó metálico foi composto por 100% de cobre de acordo com os resultados do espectrômetro. Uma micrografia das partículas de cobre e da estrutura capilar sinterizada, são apresentadas na Figura 8 (a) e Figura 8 (b), respectivamente. A distribuição do tamanho médio de partículas obtida pela distribuição granulométrica a laser do pó de cobre é apresentada na Figura 9. Neste gráfico, o eixo x apresenta o diâmetro de partícula [μm] e o eixo y apresenta as frequências relativas [%] e acumulada [%]. A linha contínua representa a frequência relativa acumulada para

cada tamanho de partícula, definidas dentro de 30 classes de tamanhos. O diâmetro médio de partícula baseado no volume foi de 33 μm.

(a) Pó de cobre (b) Estrutura capilar sinterizada Figura 8 – Micrografia das partículas de pó e da estrutura sinterizada.

Figura 9 – Distribuição granulométrica do pó de cobre XF

De acordo com a distribuição dos tamanhos de partículas, o pó de cobre apresenta um comportamento monomodal. Esse comportamento é excelente para aplicações em tubos de calor, uma vez que o comportamento uniforme é desejado.

Os resultados obtidos por picnometria a Hélio associados a caracterização física pelo Método de Arquimedes realizadas no LIMAC/UEPG apresentam que a porosidade total da estrutura capilar foi de 54,79%.

Os resultados experimentais indicam que a permeabilidade média encontrada experimentalmente para a estrutura de pó sinterizado de cobre foi de 7,81.10-13_.

O raio crítico médio medido experimentalmente baseado nas três amostras testadas foi de 6,57 μm.

A condutividade térmica efetiva da estrutura capilar de pó de cobre sinterizado calculada com base nos resultados experimentais foi de 15,13 W/mK.

De acordo com Krambeck8_{, os resultados experimentais do desempenho} térmico da estrutura capilar de pó de cobre sinterizado mostraram que o tubo de calor funcionou satisfatoriamente, o que viabiliza o método convencional utilizado para a fabricação de estrutura capilar de pó de cobre sinterizado em tubos de calor. CONCLUSÃO

Neste trabalho foi realizada a caracterização do pó de cobre e de uma estrutura capilar pó de cobre sinterizado. Os resultados experimentais mostraram que a estrutura sinterizada funcionou com sucesso, ou seja, a estrutura capilar é adequada para a aplicação em tubos de calor.

AGRADECIMENTOS

Agradecimentos são prestados à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) pela concessão de bolsas de mestrado à acadêmica

Larissa Krambeck, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e

Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro no desenvolvimento deste projeto. Agradecimentos também são externados à Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação (PROPPG) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), à Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação (DIRPPG), ao Programa de Pós-Graduação (Mestrado) em Engenharia Mecânica (PPGEM) e ao Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR/

Câmpus Ponta Grossa.

REFERÊNCIAS

1 _{REAY, David A.; KEW, Peter A.; McGLEN, Ryan J. Heat Pipes: Theory, Design and} Applications. 6 ed. Waltham, MA, USA: Elsevier, 2014. 251p.

2 _{GERMAN, Randall M. Powder Metallurgy & Particulate Materials Processing.} Princeton, N.J.: Metal Powder Industries Federation, 2005.

3 _{PEASE III, Leander F.; WEST, Willian G. Fundamentals of Powder Metallurgy.} Princeton, N.J.: Metal Powder Industries Federation, 2002.

4 _{WANG, X.; TANG, Y.; CHEN, P. Investigation into Performance of a Heat Pipe with} Micro Grooves Fabricated by Extrusion-Ploughing Process. Energy Conversion and Management, v. 50, p. 1384-1388, 2009.

5 _{MERA, Juan P. F. Análise da transferência de calor em meios de porosidade} variável para tubos de calor. 2011p. 165 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis/SC, 2011.

6 _{METAL POWDER INDUSTRIES FEDERATION, Standard 39: Determination of} Properties of Sintered Bronze PM Filter Powders, New Jersey, 1997.

7 _{ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220: Desempenho} térmico de edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 2003. 8 p.

8 _{KRAMBECK, L. Estudo experimental do desempenho térmico de estruturas} capilares de pó de cobre sinterizado em tubos de calor. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa/PR, 2018.

CHARACTERIZATION OF A SINTERED COPPER POWDER WICK FOR HEAT PIPE APPLICATIONS

ABSTRACT

The present work presents the capillary structure characterization of a sintered copper powder for application in heat pipes. This structure is responsible for the capillary pumping of the working fluid inside the heat transfer passive devices. The metal powder was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Fluorescence Spectrometry (ED-XRF) and Laser Diffraction Granulometry. The sintering process occurred at a heating rate of 20°C/min, with a permanency time of 15 minutes at 800°C. The porosity of the sintered structure was characterized by Helium Picnometry and physical characterization by the Archimedes Method. The permeability and critical radius of the sintered structure were determined by the Capillary Extrusion Test based on Standard MPFI Standard 39. The thermal conductivity of the sintered structure was determined by the Principle of Hot Protected Board.

Keywords: capillary structure, sintered powder, characterization, thermal performance, heat pipes.