A micromanufatura via usinagem apresenta algumas dificuldades, principalmente aquelas relacionadas à formação do cavaco, pois a espessura de corte passa a ter a dimensão do tamanho de grão do material da peça e da microgeometria da aresta de corte. Em operações de microcorte, a microestrutura do material é um fator importante no controle da geração da superfície da peça, mecanismo de formação de cavaco, etc. Este trabalho de pesquisa avaliou o efeito do tamanho ultrafino dos grãos do material da peça sobre os fenômenos inerentes ao corte no microfresamento. As variáveis de usinagem investigadas foram avanço por dente (fz), velocidade de corte (vc), diâmetro da microfresa (d&#934) e raio de aresta de corte (re), visando avaliar o mecanismo de formação do cavaco, acabamento da peça e integridade superficial. Os materiais utilizados nos experimentos foram um aço bifásico (ferrita-perlita) com tamanho de grão ferrítico de 11 µm e outro de microestrutura homogênea de grãos ultrafinos com 0,7 µm, ambos com mesma composição química e baixo-carbono. Dois grupos de ensaios foram propostos: (1) macro e microfresamento e (2) microfresamento de canais. O tipo de usinagem foi o de fresamento de topo, sem emprego de fluido de corte. Os ensaios de usinagem foram executados em centros de usinagem CNC. As ferramentas de corte foram de metal duro com recobrimentos, diâmetro 16 mm na escala macro de usinagem, 200 e 800 µm na escala micro. A adequação da microestrutura do material da peça à redução da escala de usinagem, através do mecanismo de refino de grão, gerou alguns aspectos favoráveis à microusinagem, como melhor acabamento (Ssk≈0 e Sku≈3), formação de cavaco contínuo e menor formação de rebarbas com a redução da espessura de corte (fz&#8804re), possibilitando aplicações em microfabricação por corte com ferramenta de geometria definida utilizando aços baixo carbono, antes limitadas à estruturas na construção civil e peças obtidas por conformação mecânica. / Micro manufacturing by means of machining presents difficulties, mainly those related to chip formation, since chip thickness become as small as normal material grain size, as well as the cutting edge radius. At such micro cutting operations material microstructure ascends as a very important issue in terms of machining output, i.e. surface roughness, subsurface damages, cutting forces, etc. This research evaluated the effect of the intervention on the metallurgical microstructure of the material on the cutting phenomena inherent in micromachining. The variables investigated were the feed per tooth (ft), cutting speed (vc), micro end-mill diameter (d&#934) and cutting edge radius (re). The materials used in the experiments were a steel two-phase (ferrite-pearlite) with ferritic grain size of 11 µm and similar one with homogeneous microstructure and ultrafine grains (0.7 µm), both low carbon. The mechanism of chip formation, surface finish and surface integrity were investigated and correlated with the studied variables. Two groups of machining experiments were proposed: (1) macro and micro end-milling and (2) microchannels. Overall, the type of machining was the end milling, without using cutting fluid. The machining tests were carried on a CNC machining center. The cutting tools are coated, diameter 16 mm in macro scale of machining, 200 and 800 &#956m in micro scale. the adequacy of the microstructure of the workpiece material to the reduce the scale of machining generated some favorable aspects to micromachining, such as better finishing (Ssk≈0 e Sku≈3), continuous chip formation and lesser burr formation by reducing the cutting thickness (fz&#8804re), enabling micromanufacturing applications for low carbon steels, once limited to structures in the civil construction and pieces obtained by mechanical forming.

A pesquisa realizada envolveu a avaliação experimental dos efeitos do fluido e da orientação do escoamento no desempenho de um dissipador de calor baseado na ebulição convectiva em microcanais. Estes dissipadores de calor são usados como uma nova aplicação para a refrigeração dos novos dispositivos eletrônicos que geram altas taxas de calor. Efetuou-se inicialmente uma extensa pesquisa bibliográfica sobre o escoamento monofásico e a ebulição convectiva em microcanais e em multi-microcanais através da qual levantou-se os principais métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão. Então, utilizando o aparato experimental desenvolvido durante o mestrado de Do Nascimento (2012) avaliou-se a transferência de calor e perda de pressão de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais paralelos. O dissipador de calor avaliado possui 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de altura e espaçados de 200 µm. Ensaios experimentais foram executados para o R245fa, fluido de baixa pressão utilizado em ciclos frigoríficos de baixa pressão, e R407C, fluido de alta pressão usado para conforto térmico, temperatura de saturação de 25 e 31°C, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, graus de subresfriamento do líquido de 5, 10 e 15°C, título de vapor máximo de até 0,38, fluxos de calor de até 350 kW/m², e para 3 orientações diferentes do dissipador de calor, horizontal, vertical com os canais alinhados horizontalmente e vertical com escoamento ascendente. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com métodos da literatura. Coeficientes de transferência de calor médios de até 35 kW/m² °C foram obtidos. Resultados adquiridos para o R245fa e R407C foram inferiores aos levantados por Do Nascimento (2012) para o R134a utilizando o mesmo dissipador. O fluido R407C apresentou frequências e amplitudes de oscilações inferiores aos fluidos R134a e R245fa. Nenhum método para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão proporcionou previsões satisfatórias dos dados experimentais. O modelo Homogêneo com viscosidade da mistura bifásica dada por Cicchitti et al. (1960) apresentou as melhores previsões da perda de pressão, já para o coeficiente de transferência de calor, os métodos de Bertsch et al. (2009) e Liu e Winterton (1991) apresentaram as melhores previsões. O dissipador com sua base posicionada horizontalmente fornece coeficientes de transferência de calor superiores enquanto sua base na vertical e escoamento ascendente verificam-se perdas de pressão inferiores. Imagens do escoamento bifásico foram obtidas com uma câmera de alta velocidade e analisadas. / This study presents an experimental investigation on the effect of the fluid and the footprint orientation on the performance of a heat spreader based on flow boiling inside micro-scale channels. This heat spreader is used in an electronics cooling application with high-power density. Initially an extensive investigation of the literature concerning single-phase and two-phase flow inside a single microchannels and multi-microchannels was performed. In this literature review the leading predictive methods for heat transfer coefficient and pressure drop are described. The experimental study was carried out in the apparatus developed by Do Nascimento (2012). The heat sink evaluated in the present study is comprised of fifty parallel rectangular microchannels with cross-sectional dimensions of 100 µm width and of 500 µm depth, and total length of 15 mm. The fins between consecutive microchannels are 200 µm thick. Experimental tests were performed for R245fa, low-pressure fluid used in low pressure refrigeration cycles, and R407C, high-pressure fluid used for heat comfort, saturation temperature of 25 and 31°C, mass velocities from 400 to 1500 kg/m² s, degrees of subcooling of the liquid of 5, 10 and 15°C, outlet vapor quality up to 0.38, heat fluxes up to 350 kW/m², and for the following footprint heat sink orientations: horizontal, vertical with the microchannels aligned horizontally and vertical with upward flow. The results were parametrically analyzed and compared again the predictive methods from literature. Average heat transfer coefficients up to 35 kW/m² °C were obtained. The results for R134a from Do Nascimento (2012) for the same heat sink presented heat transfer coefficients higher than R245fa and R407C. The fluid R407C presented oscillation of the temperature due to thermal instability effects with lower frequency and amplitude lower than R134a, and R245fa. None predictive method provided satisfactory heat transfer coefficient and pressure drop predictions of the experimental data. The Homogeneous model with the viscosity given by Cicchitti et al. (1960) provided the best pressure drop prediction while the heat transfer coefficient was best predicted by Bertsch et al. (2009) and Liu and Winterton (1991). The horizontal orientation of the footprint provided the highest heat transfer coefficients while the vertical footprint orientation with upward flow the lowest pressure drops. Images of the two-phase flow were obtained with a high-speed camera and analyzed.

A pesquisa realizada tratou do estudo da transferência de calor e do fluxo crítico durante a ebulição convectiva no interior de canais de diâmetro reduzidos a partir de dados levantados em bancadas experimentais construídas para esta finalidade. Extensa pesquisa bibliográfica foi efetuada e os principais métodos disponíveis para previsão de coeficiente de transferência de calor, fluxo crítico e mapas de escoamento foram levantados. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com os métodos da literatura. Pela primeira vez para microcanais, resultados experimentais foram levantados por um mesmo autor em laboratórios distintos buscando verificar a tendência e comportamentos. Tal comparação tem sua importância destacada em face das elevadas discrepâncias observadas na literatura quando resultados de autores distintos, obtidos em condições similares, são comparados. Os resultados levantados foram utilizados na elaboração de modelos que consideram os padrões de escoamento observados em microcanais. A incorporação dos padrões permitiu o desenvolvimento de modelos mecanísticos para coeficiente de transferência de calor, fluxo crítico e critérios para a caracterização da transição entre macro e microcanais baseados na formação do padrão de escoamento estratificado e na simetria do filme líquido no escoamento anular. / This research comprises an experimental and theoretical study on flow boiling heat transfer and critical heat flux inside small diameter tubes based on data obtained in experimental facilities specially designed for this purpose. A broad literature review was carried out and the main methods to predict the heat transfer coefficient, critical heat flux and flow patterns were pointed out. The experimental results were parametrically analyzed and compared against the predictive methods from literature. For the first time, microchannels experimental results obtained by an unique researcher in distinct laboratories were compared and a reasonable agreement was observed. The importance of such a comparison is high-lighted for flow boiling inside microchannels due to the high discrepancies ob-served when results from independent laboratories obtained under similar experimental conditions are compared. Moreover, the experimental results obtained in the present study were used to develop correlations and models for the heat transfer coefficient and heat flux that takes into account the flow patterns observed in microchannels. The heat transfer coefficient and critical heat flux models were developed based on mechanistic approach. In addition, criteria to characterize macro to microchannel transition were proposed based in the occurrence of the stratified flow pattern and the liquid film symmetry under annular flow conditions.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre a perda de pressão em canais de diâmetro reduzido durante escoamento bifásico de refrigerantes halogenados. Trocadores de calor baseados na ebulição convectiva, em condições de micro-escala são amplamente estudados devido à intensificação da troca de calor proporcionada e a possibilidade de compactação de sistemas de resfriamento. Proporcionam também a redução do inventário de refrigerante e do material utilizado no processo de fabricação do trocador. Porém, o incremento da transferência de calor é acompanhada pelo aumento da perda de pressão, parâmetro também fundamental para o desempenho do sistema. Para o projeto satisfatório e otimizado destes dispositivos são necessários métodos de previsão de transferência de calor e perda de pressão. Entretanto, no caso de canais de diâmetro reduzido, tais ferramentas não encontram-se disponíveis e trocadores de calor baseados em escoamentos bifásicos no interior de canais de diâmetro reduzido vêm sendo desenvolvidos heuristicamente. Desta forma, inicialmente neste estudo, realizou-se uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, fração de vazio superficial, perda de pressão no interior de canais com diâmetro reduzido durante escoamento bifásico e os principais métodos de estimativa da perda de pressão para macro e micro-escala. Resultados experimentais para perda de pressão levantados neste estudo em condições adiabáticas para os fluidos R245fa e R134a e tubo com 1,1 mm de diâmetro interno foram descritos e comparados aos métodos preditivos encontrados na literatura. Finalmente um novo método da previsão da perda de pressão foi proposto baseado na correlação de Müller-Steinhagen e Heck (1986), ajustando os valores do coeficiente e do expoente com base nos resultados experimentais levantados. / A theorical and experimental study on two-phase pressure drop inside micro-scale channels has been developed. Recently, the study of flow boiling in micro-scale channel have received special attention from academia and industry due to several advantages that they offer such as minimization of fluid inventory, high degree of compactness of the heat exchangers, better performance and the capacity of dissipate extremely high heat fluxes. The significant heat transfer coefficient enhancement provided by micro-scale channels comes together with a huge pressure drop penalty that impacts the efficiency of the overall cooling system. So, accurate predictive methods to evaluate the pressure drop are necessary for the appropriate design of the system and for its optimization. In the present study, firstly, a critical review on studies from literature was performed that covers criteria of transition between micro- and macro-scale flow boiling, void fraction, frictional pressure drop on micro-scale channels and the leading frictional pressure drop predictive methods. Experimental pressure drop results were acquired under adiabatic conditions for R245fa and R134a fluids and internal diameter tube of 1.1 mm. Then, the leading pressure drop predictive methods were compared against the present database. Also a new correlation based on Muller-Steinhagen e Heck (1986) method was proposed in this work by adjusting new empirical constants based on the present database together with previous results obtained by Tibiriçá et al. (2011) for a 2.3 mm ID tube.

Neste trabalho foram desenvolvidos sistemas microfluídicos para aplicações na produção de micro e nanopartículas. Os dispositivos microfluídicos foram microfabricados em vidros do tipo borosilicato e em cerâmica verde LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic). Para os dispositivos em vidro foram utilizadas técnicas de fotolitografia, corrosão úmida e soldagem por cola UV. Com estas técnicas foram produzidos sistemas planares com diversas geometrias, sistemas com dispositivos em paralelo com duas e três camadas de vidros. Além disso, dois polímeros o Benzociclobuteno (BCB) e o Parylene-C foram apresentados como ferramenta para a modificação da superfície do vidro de hidrofílica para hidrofóbica. A cerâmica LTCC foi utilizada para a produção de um sistema microfluídico para focalização hidrodinâmica em 3 dimensões. Os dispositivos microfabricados foram utilizados para estudos sobre a produção de emulsões simples e duplas, observando a influência de parâmetros como taxa de fluxo, razão entre fluxos e diferentes tipos de emulsificantes no tamanho das gotas e no tipo de corte obtido em cada situação. Observou-se que o tamanho máximo das gotas obtidas fica restringido ao tamanho do canal microfabricado, cerca de 50m e o tamanho mínimo obtido foi de 15m. Além da produção de emulsões, foi estudada a produção de nanosuspensões pela técnica de nanoprecipitação anti-solvente. Para este estudo, além das geometrias planares, foram testadas as geometrias 3D e também sistemas para o aumento de escala de produção, onde o sistema integrado possuía 4 dispositivos para nanoprecipitação. Os resultados obtidos indicaram que os sistemas microfluídicos permitem a produção de nanopartículas amorfas, na faixa de 100 a 1000 nm, com baixa polidispersão, sendo ainda reprodutíveis em sistema de maior escala. O desenvolvimento deste trabalho mostrou que a microfluídica oferece ferramentas importantes na obtenção de micro e nanopartículas. / In this work microfluidic systems were developed for applications in micro and nanoparticles production. Microfluidic devices were microfabricated in borosilicate glasses substrates and LTCC ceramic (Low Temperature Co-fired Ceramic). For glass devices were used techniques such as photolithography, wet etching and UV glue for sealing glass wafers. With these techniques were manufactured planar systems with various geometries, systems with devices in parallel with two and three glass layers. In addition, two polymers, BCB and Parylene-C, were presented as a tool for glass surface modification, from hydrophilic to hydrophobic. The ceramic LTCC was used for the production of a microfluidic system for hydrodynamic focusing in three dimensions. The devices were used for studies on the single and double emulsions production, observing the influence of parameters such as flow rate, ratio between flows and different types of surfactants at the droplet size and droplet cut type obtained in each situation. It was observed that the maximum size of the droplets obtained is restricted by the channel size, the maximum was about 50m and the minimum size of 15m. Besides, the devices were used to produce nanoparticles using anti-solvent nanoprecipitation technique. For these studies, besides the planar geometries, 3D geometries were tested and also systems for increasing scale production, where 4 devices were integrated in one system for nanoprecipitation. The results indicated that the microfluidic systems allow the production of amorphous nanoparticles in the range of 100 to 1000 nm with low polydispersity, being also reproducible in a larger scale system. The development of this work has shown that microfluidics offers valuable tools in obtaining micro-and nanoparticles.

A micromanufatura via usinagem apresenta algumas dificuldades, principalmente aquelas relacionadas à formação do cavaco, pois a espessura de corte passa a ter a dimensão do tamanho de grão do material da peça e da microgeometria da aresta de corte. Em operações de microcorte, a microestrutura do material é um fator importante no controle da geração da superfície da peça, mecanismo de formação de cavaco, etc. Este trabalho de pesquisa avaliou o efeito do tamanho ultrafino dos grãos do material da peça sobre os fenômenos inerentes ao corte no microfresamento. As variáveis de usinagem investigadas foram avanço por dente (fz), velocidade de corte (vc), diâmetro da microfresa (d&#934) e raio de aresta de corte (re), visando avaliar o mecanismo de formação do cavaco, acabamento da peça e integridade superficial. Os materiais utilizados nos experimentos foram um aço bifásico (ferrita-perlita) com tamanho de grão ferrítico de 11 µm e outro de microestrutura homogênea de grãos ultrafinos com 0,7 µm, ambos com mesma composição química e baixo-carbono. Dois grupos de ensaios foram propostos: (1) macro e microfresamento e (2) microfresamento de canais. O tipo de usinagem foi o de fresamento de topo, sem emprego de fluido de corte. Os ensaios de usinagem foram executados em centros de usinagem CNC. As ferramentas de corte foram de metal duro com recobrimentos, diâmetro 16 mm na escala macro de usinagem, 200 e 800 µm na escala micro. A adequação da microestrutura do material da peça à redução da escala de usinagem, através do mecanismo de refino de grão, gerou alguns aspectos favoráveis à microusinagem, como melhor acabamento (Ssk≈0 e Sku≈3), formação de cavaco contínuo e menor formação de rebarbas com a redução da espessura de corte (fz&#8804re), possibilitando aplicações em microfabricação por corte com ferramenta de geometria definida utilizando aços baixo carbono, antes limitadas à estruturas na construção civil e peças obtidas por conformação mecânica. / Micro manufacturing by means of machining presents difficulties, mainly those related to chip formation, since chip thickness become as small as normal material grain size, as well as the cutting edge radius. At such micro cutting operations material microstructure ascends as a very important issue in terms of machining output, i.e. surface roughness, subsurface damages, cutting forces, etc. This research evaluated the effect of the intervention on the metallurgical microstructure of the material on the cutting phenomena inherent in micromachining. The variables investigated were the feed per tooth (ft), cutting speed (vc), micro end-mill diameter (d&#934) and cutting edge radius (re). The materials used in the experiments were a steel two-phase (ferrite-pearlite) with ferritic grain size of 11 µm and similar one with homogeneous microstructure and ultrafine grains (0.7 µm), both low carbon. The mechanism of chip formation, surface finish and surface integrity were investigated and correlated with the studied variables. Two groups of machining experiments were proposed: (1) macro and micro end-milling and (2) microchannels. Overall, the type of machining was the end milling, without using cutting fluid. The machining tests were carried on a CNC machining center. The cutting tools are coated, diameter 16 mm in macro scale of machining, 200 and 800 &#956m in micro scale. the adequacy of the microstructure of the workpiece material to the reduce the scale of machining generated some favorable aspects to micromachining, such as better finishing (Ssk≈0 e Sku≈3), continuous chip formation and lesser burr formation by reducing the cutting thickness (fz&#8804re), enabling micromanufacturing applications for low carbon steels, once limited to structures in the civil construction and pieces obtained by mechanical forming.

A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre a perda de pressão em canais de diâmetro reduzido durante escoamento bifásico de refrigerantes halogenados. Trocadores de calor baseados na ebulição convectiva, em condições de micro-escala são amplamente estudados devido à intensificação da troca de calor proporcionada e a possibilidade de compactação de sistemas de resfriamento. Proporcionam também a redução do inventário de refrigerante e do material utilizado no processo de fabricação do trocador. Porém, o incremento da transferência de calor é acompanhada pelo aumento da perda de pressão, parâmetro também fundamental para o desempenho do sistema. Para o projeto satisfatório e otimizado destes dispositivos são necessários métodos de previsão de transferência de calor e perda de pressão. Entretanto, no caso de canais de diâmetro reduzido, tais ferramentas não encontram-se disponíveis e trocadores de calor baseados em escoamentos bifásicos no interior de canais de diâmetro reduzido vêm sendo desenvolvidos heuristicamente. Desta forma, inicialmente neste estudo, realizou-se uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, fração de vazio superficial, perda de pressão no interior de canais com diâmetro reduzido durante escoamento bifásico e os principais métodos de estimativa da perda de pressão para macro e micro-escala. Resultados experimentais para perda de pressão levantados neste estudo em condições adiabáticas para os fluidos R245fa e R134a e tubo com 1,1 mm de diâmetro interno foram descritos e comparados aos métodos preditivos encontrados na literatura. Finalmente um novo método da previsão da perda de pressão foi proposto baseado na correlação de Müller-Steinhagen e Heck (1986), ajustando os valores do coeficiente e do expoente com base nos resultados experimentais levantados. / A theorical and experimental study on two-phase pressure drop inside micro-scale channels has been developed. Recently, the study of flow boiling in micro-scale channel have received special attention from academia and industry due to several advantages that they offer such as minimization of fluid inventory, high degree of compactness of the heat exchangers, better performance and the capacity of dissipate extremely high heat fluxes. The significant heat transfer coefficient enhancement provided by micro-scale channels comes together with a huge pressure drop penalty that impacts the efficiency of the overall cooling system. So, accurate predictive methods to evaluate the pressure drop are necessary for the appropriate design of the system and for its optimization. In the present study, firstly, a critical review on studies from literature was performed that covers criteria of transition between micro- and macro-scale flow boiling, void fraction, frictional pressure drop on micro-scale channels and the leading frictional pressure drop predictive methods. Experimental pressure drop results were acquired under adiabatic conditions for R245fa and R134a fluids and internal diameter tube of 1.1 mm. Then, the leading pressure drop predictive methods were compared against the present database. Also a new correlation based on Muller-Steinhagen e Heck (1986) method was proposed in this work by adjusting new empirical constants based on the present database together with previous results obtained by Tibiriçá et al. (2011) for a 2.3 mm ID tube.

A pesquisa realizada envolveu a avaliação experimental dos efeitos do fluido e da orientação do escoamento no desempenho de um dissipador de calor baseado na ebulição convectiva em microcanais. Estes dissipadores de calor são usados como uma nova aplicação para a refrigeração dos novos dispositivos eletrônicos que geram altas taxas de calor. Efetuou-se inicialmente uma extensa pesquisa bibliográfica sobre o escoamento monofásico e a ebulição convectiva em microcanais e em multi-microcanais através da qual levantou-se os principais métodos de previsão do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão. Então, utilizando o aparato experimental desenvolvido durante o mestrado de Do Nascimento (2012) avaliou-se a transferência de calor e perda de pressão de um dissipador de calor baseado em multi-microcanais paralelos. O dissipador de calor avaliado possui 50 microcanais retangulares dispostos paralelamente com 15 mm de comprimento, 100 µm de largura, 500 µm de altura e espaçados de 200 µm. Ensaios experimentais foram executados para o R245fa, fluido de baixa pressão utilizado em ciclos frigoríficos de baixa pressão, e R407C, fluido de alta pressão usado para conforto térmico, temperatura de saturação de 25 e 31°C, velocidades mássicas de 400 a 1500 kg/m²s, graus de subresfriamento do líquido de 5, 10 e 15°C, título de vapor máximo de até 0,38, fluxos de calor de até 350 kW/m², e para 3 orientações diferentes do dissipador de calor, horizontal, vertical com os canais alinhados horizontalmente e vertical com escoamento ascendente. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com métodos da literatura. Coeficientes de transferência de calor médios de até 35 kW/m² °C foram obtidos. Resultados adquiridos para o R245fa e R407C foram inferiores aos levantados por Do Nascimento (2012) para o R134a utilizando o mesmo dissipador. O fluido R407C apresentou frequências e amplitudes de oscilações inferiores aos fluidos R134a e R245fa. Nenhum método para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão proporcionou previsões satisfatórias dos dados experimentais. O modelo Homogêneo com viscosidade da mistura bifásica dada por Cicchitti et al. (1960) apresentou as melhores previsões da perda de pressão, já para o coeficiente de transferência de calor, os métodos de Bertsch et al. (2009) e Liu e Winterton (1991) apresentaram as melhores previsões. O dissipador com sua base posicionada horizontalmente fornece coeficientes de transferência de calor superiores enquanto sua base na vertical e escoamento ascendente verificam-se perdas de pressão inferiores. Imagens do escoamento bifásico foram obtidas com uma câmera de alta velocidade e analisadas. / This study presents an experimental investigation on the effect of the fluid and the footprint orientation on the performance of a heat spreader based on flow boiling inside micro-scale channels. This heat spreader is used in an electronics cooling application with high-power density. Initially an extensive investigation of the literature concerning single-phase and two-phase flow inside a single microchannels and multi-microchannels was performed. In this literature review the leading predictive methods for heat transfer coefficient and pressure drop are described. The experimental study was carried out in the apparatus developed by Do Nascimento (2012). The heat sink evaluated in the present study is comprised of fifty parallel rectangular microchannels with cross-sectional dimensions of 100 µm width and of 500 µm depth, and total length of 15 mm. The fins between consecutive microchannels are 200 µm thick. Experimental tests were performed for R245fa, low-pressure fluid used in low pressure refrigeration cycles, and R407C, high-pressure fluid used for heat comfort, saturation temperature of 25 and 31°C, mass velocities from 400 to 1500 kg/m² s, degrees of subcooling of the liquid of 5, 10 and 15°C, outlet vapor quality up to 0.38, heat fluxes up to 350 kW/m², and for the following footprint heat sink orientations: horizontal, vertical with the microchannels aligned horizontally and vertical with upward flow. The results were parametrically analyzed and compared again the predictive methods from literature. Average heat transfer coefficients up to 35 kW/m² °C were obtained. The results for R134a from Do Nascimento (2012) for the same heat sink presented heat transfer coefficients higher than R245fa and R407C. The fluid R407C presented oscillation of the temperature due to thermal instability effects with lower frequency and amplitude lower than R134a, and R245fa. None predictive method provided satisfactory heat transfer coefficient and pressure drop predictions of the experimental data. The Homogeneous model with the viscosity given by Cicchitti et al. (1960) provided the best pressure drop prediction while the heat transfer coefficient was best predicted by Bertsch et al. (2009) and Liu and Winterton (1991). The horizontal orientation of the footprint provided the highest heat transfer coefficients while the vertical footprint orientation with upward flow the lowest pressure drops. Images of the two-phase flow were obtained with a high-speed camera and analyzed.

A pesquisa realizada tratou do estudo da transferência de calor e do fluxo crítico durante a ebulição convectiva no interior de canais de diâmetro reduzidos a partir de dados levantados em bancadas experimentais construídas para esta finalidade. Extensa pesquisa bibliográfica foi efetuada e os principais métodos disponíveis para previsão de coeficiente de transferência de calor, fluxo crítico e mapas de escoamento foram levantados. Os resultados obtidos foram parametricamente analisados e comparados com os métodos da literatura. Pela primeira vez para microcanais, resultados experimentais foram levantados por um mesmo autor em laboratórios distintos buscando verificar a tendência e comportamentos. Tal comparação tem sua importância destacada em face das elevadas discrepâncias observadas na literatura quando resultados de autores distintos, obtidos em condições similares, são comparados. Os resultados levantados foram utilizados na elaboração de modelos que consideram os padrões de escoamento observados em microcanais. A incorporação dos padrões permitiu o desenvolvimento de modelos mecanísticos para coeficiente de transferência de calor, fluxo crítico e critérios para a caracterização da transição entre macro e microcanais baseados na formação do padrão de escoamento estratificado e na simetria do filme líquido no escoamento anular. / This research comprises an experimental and theoretical study on flow boiling heat transfer and critical heat flux inside small diameter tubes based on data obtained in experimental facilities specially designed for this purpose. A broad literature review was carried out and the main methods to predict the heat transfer coefficient, critical heat flux and flow patterns were pointed out. The experimental results were parametrically analyzed and compared against the predictive methods from literature. For the first time, microchannels experimental results obtained by an unique researcher in distinct laboratories were compared and a reasonable agreement was observed. The importance of such a comparison is high-lighted for flow boiling inside microchannels due to the high discrepancies ob-served when results from independent laboratories obtained under similar experimental conditions are compared. Moreover, the experimental results obtained in the present study were used to develop correlations and models for the heat transfer coefficient and heat flux that takes into account the flow patterns observed in microchannels. The heat transfer coefficient and critical heat flux models were developed based on mechanistic approach. In addition, criteria to characterize macro to microchannel transition were proposed based in the occurrence of the stratified flow pattern and the liquid film symmetry under annular flow conditions.

Este trabalho propõe o estudo do projeto de dispositivos baseados em microcanais de fluido, tais como difusores, misturadores, válvulas, e trocadores de calor, através da aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema, através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio fluido, e permite obter a topologia otimizada (formato ótimo) dos microcanais, segundo uma determinada característica, seja esta, a minimização da perda de carga, ou a maximização da velocidade num dado ponto, ou ainda a maximização da troca de calor, no caso de trocadores de calor. Os canais utilizados nestas aplicações operam com baixo número de Reynolds, sendo um caso típico da aplicação das equações de escoamento de Stokes. A implementação do MOT é realizada sob a forma de rotinas computacionais, permitindo um projeto sistematizado dos canais. No processo de otimização, utiliza-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método de análise dos fenômenos físicos envolvidos, e a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização. Ao final, propõe-se um estudo multi-físico, aliando-se características otimizadas tanto do ponto de vista da eficiência do escoamento, quanto do ponto de vista da dissipação térmica no canal, combinando-os através de uma função multi-objetivo. Exemplos de projeto bidimensionais de dispositivos de fluido são apresentados para ilustrar o método. / This work proposes studying the design of micro channel devices, such as fluid diffusers, mixers, valves, and heat exchangers, through the application of the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a computational method that allows the distribution of a limited amount of material, inside a given design domain, in order to obtain an optimized system design. Herein, the TOM is applied to a fluidic domain, allowing the design of an optimized microchannel topology (optimal configuration), according to a given objective function, such as head loss minimization, maximum velocity in a given direction, or the heat transfer maximization, in a heat exchanger example. Especially this kind of channel devices, operates at low Reynolds number, thus, it can be modeled through Stokes flow equations. The optimization procedure applies the Finite Element Method (FEM) to perform the physical analysis, and Sequential Linear Programming (SLP) as the optimization algorithm. At the end, a multi-physics analysis is proposed, through a multi-objective cost function, that combines both flow and heat dissipation efficiency optimization. Two-dimensional designs of fluidic devices are presented as examples to illustrate the method.