Estudo teórico e experimental da influência de nanofluidos sobre a ebulição nucleada

Abstract

Neste trabalho é apresentado um estudo teórico e experimental da ebulição em piscina utilizando diferentes nanofluidos como fluido de trabalho e em condições saturadas. Inicialmente, uma revisão bibliográfica foi realizada a fim de abranger o estado da arte do presente tema. Um aparato experimental foi construído para o estudo da influência das características da superfície e dos nanofluidos sobre o coeficiente de transferência de calor. Os ensaios de ebulição em piscina foram realizados utilizando água deionizada, para validação do aparato experimental e comparação, e os nanofluidos de Al2O3-Água e Fe2O3-Água (à pressão atmosférica local e à temperatura de saturação) nas concentrações mássicas de 0,029 g/l (baixa concentração) e 0,29 g/l (alta concentração). Foram utilizadas duas diferentes superfícies de aquecimento, uma lisa e outra rugosa, ambas de cobre. Aspectos relacionados a efeitos de interação superfície-nanofluido, tal como o efeito da deposição de nanopartículas na superfície de aquecimento durante a ebulição, foram estudados por meio da análise de dados experimentais e da caracterização das superfícies antes e depois do processo de ebulição. O coeficiente de transferência de calor aumentou para os ensaios utilizando nanofluidos de baixa concentração sobre superfícies lisas. Para superfícies rugosas, os nanofluidos de baixa concentração apresentaram um aumento na transferência de calor para fluxos de até 300 kW/m². Os nanofluidos de alta concentração apresentaram um desempenho inferior aos de baixa concentração. Os diferentes comportamentos são atribuídos às alterações na morfologia da superfície devido à deposição das nanopartículas. A transferência de calor aumentou quando houve um aumento dos raios das cavidades ocasionado pela nanocamada depositada sobre a superfície de aquecimento, como observado para superfícies lisas com nanopartículas depositadas. No entanto, para superfícies rugosas, a deposição das nanopartículas preencheu as cavidades (de maior diâmetro) diminuindo a transferência de calor. Os nanofluidos de alta concentração apresentaram uma maior taxa de deposição quando comparados aos de baixa concentração, o que acarretou em uma maior resistência térmica sobre a superfície e, consequente, decréscimo na transferência de calor. Tal efeito foi ainda maior quando a ebulição foi realizada em ensaios de longa duração. Outro fator que colaborou com o aumento da taxa de deposição é o fluxo de calor aplicado. Nanofluidos colocados em ebulição por longos períodos de tempo e com altos fluxos de calor (>500 kW/m²) apresentaram grande diminuição no coeficiente de transferência de calor.