Investigação experimental de biomaterial de mudança de fase integrado com aleta para controle térmico

Abstract

O controle térmico eficiente é um desafio crítico em diversas aplicações de engenharia, demandando soluções que aliem desempenho energético e sustentabilidade. Nesse contexto, os Biomateriais de Mudança de Fase (Bio-PCMs) emergem como uma alternativa ecológica promissora para o armazenamento de energia térmica, oferecendo elevada capacidade de armazenamento térmico latente e biodegradabilidade. No entanto, a aplicação prática desses biomateriais é frequentemente limitada pela sua baixa condutividade térmica intrínseca, o que restringe a velocidade de carga e descarga energética. Este trabalho investiga a viabilidade e o aprimoramento do desempenho de um sistema de controle térmico baseado em um Bio-PCM através da incorporação de aletas metálicas, visando mitigar essa resistência condutiva. A metodologia baseou-se na análise experimental do comportamento de fusão em um béquer, comparando a cera de palma, um biomaterial, com configurações contendo aletas internas. Os resultados demonstraram que a inserção das aletas alterou a dinâmica de transferência de calor, atuando como vias preferenciais que aceleraram a propagação da frente de fusão a partir da fonte de calor. Observou-se uma redução significativa no tempo total de mudança de fase e uma maior homogeneidade na distribuição de temperatura. Conclui-se que o uso de superfícies estendidas, como as aletas, é uma estratégia eficaz para compensar a baixa condutividade térmica dos bio-PCMs, viabilizando o uso desses materiais sustentáveis em sistemas de controle térmico de alto desempenho.

Efficient thermal control is a critical challenge in various engineering applications, requiring solutions that combine energy performance with sustainability. In this context, Phase Change Biomaterials (Bio-PCMs) emerge as a promising eco-friendly alternative for thermal energy storage, offering high latent thermal storage capacity and biodegradability. However, the practical application of these biomaterials is often limited by their intrinsic low thermal conductivity, which restricts the rate of energy charge and discharge. This study investigates the viability and performance enhancement of a Bio-PCM-based thermal control system through the incorporation of metal fins, aiming to mitigate this conductive resistance. The methodology relied on the experimental analysis of melting behavior in a beaker, comparing palm wax, a biomaterial, with configurations containing internal fins. Results demonstrated that the insertion of fins altered the heat transfer dynamics, acting as preferential pathways that accelerated the propagation of the melt front from the heat source. A significant reduction in total phase change time and greater homogeneity in temperature distribution were observed. It is concluded that the use of extended surfaces, such as fins, is an effective strategy to compensate for the low thermal conductivity of Bio-PCMs, enabling the use of these sustainable materials in high-performance thermal control systems.