Performance do dissipador anodizado

Cálculo do ganho de dissipação com anodização

(revisão cálculos em abr/2021)




    Existem 4 possíveis mecanismos para a transferência de calor:

- condução
- convecção  (é o mais importante mecanismo para esfriar o dissipador)(*)
- radiação  (é um mecanismo secundário para esfriar o dissipador)(*)
- evaporação (importante apenas no caso de "heat pipes")

(*) o mecanismo mais importante vai depender muito da condição de trabalho do dissipador de calor. Quanto maior for a diferença de temperatura entre o dissipador e a temperatura ambiente, mais importante será o mecanismo de RADIAÇÃO.

    Este texto irá abordar o mecanismo de perda de calor por radiação do dissipador de calor, que obedece a Lei de Stefan-Boltzmann de acordo com a equação:



         
    A diferença entre alumínio não anodizado e anodizado está no coeficiente de emissividade ε (épson).  Em termos de dissipação, é a única diferença importante entre os dois acabamentos!  Mas pode fazer muita diferença!

para alumínio não anodizado ε = 0,04
para alumínio anodizado ε = 0,80

    Seria muito fácil fazer as contas para um dissipador esférico ou plano sem nada afixado sobre sua superfície:



    No caso mostrado no exemplo da esfera ou da chapa plana 100% da radiação emitida contribuiria para a redução da temperatura por este mecanismo de radiação. Bastaria calcular a área superficial e colocar os valores na fórmula de Stefan-Boltzman.  Mas dissipadores de calor possuem uma geometria mais complexa:



    Em um dissipador de calor existem aletas que estão paralelas umas as outras. A radiação emitida na face de uma aleta irá de encontro a face da outra aleta, que irá reabsorver parcialmente esta radiação (ver figura abaixo).  O quanto a aleta que recebe a radiação irá absorver irá depender da ABSORTIVIDADE, que a exemplo da emissividade, também é  função do acabamento da superfície.


    São estas radiações que se voltam para o próprio dissipador, mostradas na cor azul, que complicam os cálculos. Para um cálculo com boa aproximação precisamos levar em consideração a área que dá origem a radiações que contribuirão eficientemente para a dissipação por este mecanismo. 



EXEMPLO PRÁTICO:  cálculo do ganho de eficiência da anodização no dissipador RDD 21019







    O dissipador RDD 21019 foi desenvolvido especialmente para ser usado em placas QB e possui diversas vantagens em relação ao modelo que estava sendo utilizado anteriormente.   Vamos ver como ficam os cálculos para este modelo quando utilizado com uma QB medindo 295mm x 178mm fixada na parte lisa:


    Primeiro precisamos calcular a área do dissipador que será útil para a dissipação por radiação.  Apenas as radiações marcadas em vermelho serão úteis na dissipação.  Aquelas marcadas em azul, por irradiarem para o próprio dissipador, serão desconsideradas:
 



        Em um dissipador RDD 21019 com 326mm de comprimento, apenas 97.000mm² de um total de 314.000mm² participarão do processo. 


A área precisa ser transformada para metros quadrados:

97.000mm² =  0,097m²

A temperatura precisa ser transformada para Kelvin (basta somar 273). Considerando a temperatura do dissipador 80C e a temperatura ambiente 25C temos:

Ts = 80 + 273 = 353K

Ta = 25 + 273 = 298K



fazendo as contas:


para o dissipador não anodizado:


q = 0,04 x 0,0000000456 x 0,097 x (353⁴ - 298⁴) = 1,35W



para o dissipador anodizado:


q = 0,80 x 0,0000000456 x 0,097 x (353⁴ - 298⁴) = 27W



Perceberam que a única diferença está no valor de ε

O resultado (*) é uma melhoria de 25,65W na dissipação!








O ganho vai depender das temperaturas


    O mesmo dissipador que utilizamos no exemplo acima dissipará potências diferentes em temperaturas diferentes! Lembrar que estamos considerando apenas o mecanismo de radiação.  Veja a tabela abaixo comparando 3 situações diferentes de temperatura do dissipador RDD21019-326:

 




    Precisamos lembrar que na equação a temperatura está elevada à quarta potência.  Qualquer alteração significativa na temperatura modifica muito o resultado.


    Então quando perguntam "quanto a anodização melhora o desempenho?" a resposta deve ser sempre "depende!"


    Se o dissipador estiver a 90C e o ambiente a 35C o ganho teórico é de 28W!

    Se o dissipador estiver a 60C e o ambiente a 35C o ganho teórico é de 11W!






Mitos sobre a anodização preta do dissipador de calor


    É muito comum ouvir dizerem que o importante é "anodização preta", mas isto é um MITO!  O importante é a qualidade e espessura da camada de anodização.

    O mito explicado:  acontece que anodização incolor produzida por algumas empresas possui camada muito baixa (5 a 8 mícrons) e para uma emissividade satisfatória do dissipador esta camada deve ser de 12 mícrons pelo menos.
É aí que entra a anodização preta:  é muito difícil conseguir tonalidade preta com apenas 8 mícrons de anodização!   Esta foi a origem deste mito, onde apenas "anodização preta" era satisfatória.

    A camada obtida na anodização é função do tempo de processo.  Para baratear, muitas empresas "interrompem o processo na metade do tempo", resultando em uma baixa camada.  Esta interrupção ocorre principalmente quando o acabamento é anodizado incolor ou quando é anodizado dourado (dourado é uma cor que "pega com pouca camada"). O consumidor não tem como medir a camada. Por este motivo, ao exigir "anodizado preto" o consumidor força a empresa a colocar pelo menos 12 mícrons!

    Entretanto desde que o dissipador tenha uma boa camada de anodização, a emissividade varia pouco com a cor.  Esta afirmação é apoiada inclusive por outra referência publicada também pela NASA em 1984 com os valores para emissividade de alumínio anodizado em várias cores. Na publicação tem a observação "COATING THICKNESS IS CRITICAL" (a espessura da anodização é crítica)!  Abaixo a tabela extraída deste artigo:




https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19840015630 2020-08-01T21:21:46+00:00Z



IMPORTANTE:  aqui foi abordado apenas um mecanismo de dissipação de calor (radiação).  Existe dois outros mecanismos que não foram abordados.  Os cálculos representam o ganho teórico obtido no mecanismo "radiação" apenas!  O dissipador de calor normalmente esfria por radiação e também por convecção.


As referências da NASA citadas neste texto estão no formato  URL  DATA-CONSULTA  HORÁRIO.  Se vc quiser consultar a referência, utilize apenas a URL em seu navegador. Exemplo: 

https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19840015630 2020-08-01T21:21:46+00:00Z

URL =   https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19840015630
DATA-CONSULTA =  2020-08-01
HORÁRIO =  T21:21:46+00:00Z


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