Efeito das superfícies nano e micro estruturadas sobre a ebulição nucleada

Abstract

In the last decade, the necessity to dissipate large quantities of heat energy increased, thus leading to an increase on the number of studies in nucleate pool boiling and flow boiling with the aim of producing more compact and efficient heat exchangers. The search for increasingly efficient and compact products and for new techniques to improve the heat transfer, ensuring the physical integrity of the equipment, keep growing and it will remain so in the next years. One of the techniques being widely researched in the scientific community is the use of nanofluids. The nanofluids have been developed in order to improve the thermal conductivity and diffusivity compared to traditional fluids. Although many experiments with nanofluids have been developed in recent years, there are still many differences related to the effects of these fluids on the pool boiling phenomenon. In this context, this work aims to analyze the effects of nanostructured surfaces and different nanofluid concentrations, which are deposited on the heating surface, on the heat transfer coefficient during the nucleate boiling regime. Therefore, tests were performed to heat fluxes values corresponding to the nucleate boiling regime for deionized water, at saturation temperature (Tsat = 99 °C) and atmospheric pressure (patm = 98 kPa), on copper heating surfaces with different roughness values. The nanostructured surfaces were produced by maghemite nanoparticle deposition, which is achieved by boiling selected mass concentrations of a Fe2O3-deionized water nanofluid. Prior and after each boiling test, the characteristics of the test surfaces were evaluated by applying the metallographic, wettability and surface roughness tests. The results for the heat transfer coefficient were related to the geometrical and morphological characteristics of the test surfaces, taking into account the aspects of the flu-id/surface interaction such as, the contact angle and wettability.

Nas últimas décadas surgiu a necessidade de dissipar maiores quantidades de energia térmica, fato que acarretou no aumento do número de estudos em ebulição nucleada e convectiva com o objetivo de produzir trocadores de calor cada vez mais eficientes e compactos. A busca de produtos cada vez mais eficientes e compactos e a procura de novas técnicas para melhorar a transferência de calor, garantindo a integridade física do equipamento, continuam crescendo e a tendência é que continuará assim nos próximos anos. Uma das técnicas que está sendo amplamente pesquisada na comunidade cientifica é o uso de nanofluidos. Os nanofluidos foram desenvolvidos com o intuito de melhorar a condutividade e a difusividade térmica em relação aos fluidos tradicionais. Muitos experimentos com nanofluidos têm sido desenvolvidos nos últimos anos, mas ainda existem muitas divergências a respeito do efeito desses fluidos sobre o fenômeno de ebulição. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo a análise teórico-experimental do efeito de superfícies nanoestruturadas e da concentração do nanofluido, a ser depositado sobre a superfície aquecedora, sobre o coeficiente de transferência de calor em regime de ebulição nucleada. Para tanto, testes foram realizados para fluxos de calor que correspondem ao regime de ebulição nucleada da água deionizada, à temperatura de saturação (Tsat = 99 °C) e à pressão atmosférica (patm = 98 kPa), sobre superfícies aquecedoras de cobre com diferentes rugosidades. As superfícies nanoestruturadas foram produzidas por deposição de nanopartículas de maguemita, por meio do processo de ebulição da solução Fe2O3-água deionizada para diferentes concentrações mássicas previamente estabelecidas. As superfícies foram submetidas a ensaios metalográficos, de molhabilidade e de rugosidade permitindo a avaliação das modificações estruturais, topográficas e químicas das superfícies, antes e após os testes no regime de ebulição nucleada. Os resultados para o coeficiente de transferência de calor foram relacionados com as características geométricas e morfológicas das superfícies de teste, levando em consideração os aspectos relacionados à interação fluido/superfície, como, o ângulo de contato e a molhabilidade.