Trocadores de calor cinco vezes melhores

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Pesquisadores da Universidade de Tsinghua e da Universidade de Brown descobriram uma maneira simples de dar um grande impulso à troca de calor turbulenta, um método de transporte térmico amplamente utilizado em sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC-R).

Em um artigo publicado na Nature Communications, os pesquisadores mostram que a adição de um solvente orgânico prontamente disponível para sistemas de troca de calor turbulentos comuns à base de água pode aumentar sua capacidade de mover o calor em 500%. Isso é muito melhor do que outros meios destinados a aumentar a transferência, dizem os pesquisadores. “Outros métodos para aumentar o fluxo de calor – os aditivos de nanopartículas, por exemplo – alcançaram no melhor dos casos uma melhoria de 50%”, disse Vieira Mathai, investigador pós-doutorado na Brown e co-autor do estudo, que trabalhou com Chao Sun, professor de Tsinghua que concebeu a idéia.  “O que nós alcançamos aqui é 10 vezes mais melhoria do que outros métodos, o que é realmente muito excitante”.

Trocadores de calor turbulentos são dispositivos bastante simples que usam os movimentos naturais do líquido para mover o calor. Consistem em uma superfície quente, em uma superfície fria e em um tanque do líquido no meio. Perto da superfície quente, o líquido aquece-se, torna-se menos denso e forma plumados quentes que se levantam para o lado frio. Lá, o líquido perde seu calor, torna-se mais denso e forma as plumas frias que afundam para trás, para baixo e para o lado quente. O ciclismo de água serve para regular as temperaturas de cada superfície. Este tipo de troca de calor compreende sistemas AVAC-R modernos amplamente utilizados em aquecedores domésticos e unidades de ar condicionado, dizem os pesquisadores.

Sun teve a ideia usar um componente orgânico sabido como o hidrofluoréter ou o HFE para apressar o ciclagem do calor. HFE às vezes é usado como o único fluido em trocadores de calor, mas Sun suspeitava que poderia ter propriedades mais interessantes como um aditivo em sistemas à base de água. Trabalhando com o primeiro autor do estudo, Ziqi Wang, Mathai e Sun experimentaram a adição de pequenas quantidades de HFE e, após três anos de trabalho, foram capazes de maximizar a sua eficácia na troca de calor em excesso de velocidade. A equipe mostrou que as concentrações de cerca de 1% de HFE criaram melhorias dramáticas de fluxo de calor de até 500%.

Usando imagem latente de alta velocidade e as técnicas diagnósticas do laser, os investigadores puderam mostrar os trabalhos do realce de HFE. Quando perto do lado quente do trocador, os glóbulos de HFE rapidamente fervem, formando bolhas bifásicas de vapor e líquido que se elevam rapidamente em direção à placa fria acima. Na placa fria, as bolhas perdem o calor e descem como líquido. As bolhas afetam o fluxo de calor global de duas maneiras, os pesquisadores mostraram, e elas mesmas carregam uma quantidade significativa de calor para longe do lado quente, mas igualmente aumentam a velocidade das plumas de água circunvizinhas que levantam-se e caem. “Isso basicamente agita o sistema e faz com que as plumas se movam mais rápido”, revela Sun. “Combinado com o calor que as bolhas se carregam, começamos uma melhoria dramática na transferência de calor”.

Essa agitação poderia ter outras aplicações, dizem os investigadores. Pode ser útil em sistemas concebidos para misturar dois ou mais líquidos. A agitação extra faz uma mistura mais rápida e mais completa.

Os pesquisadores apontaram que o aditivo específico que usaram – HFE7000 – é não-corrosivo, não-inflamável e amigável com o ozônio. Uma limitação é que a aproximação trabalha somente em sistemas verticais da troca térmica. Atualmente, não funciona em sistemas lado a lado, embora os pesquisadores estejam considerando maneiras de adaptar a técnica. “Esta abordagem bifásica gera um aumento muito grande no fluxo de calor com modificações mínimas para sistemas de aquecimento e arrefecimento existentes”, diz Mathai. “Achamos que isso tem grande promessa de revolucionar a troca de calor em AVAC-R e outras aplicações em grande escala”.

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