Pesquisas sobre fluxo de calor podem auxiliar na geração e uso de energia elétrica limpa, resfriamento de reatores nucleares, de carregadores ultra rápidos de baterias de carros elétricos e aumento da eficiência de micro termelétricas – Fotomontagem Jornal da USP feita com imagens de OpenClipart-Vectors/Pixabay, Reprodução/Amazon.com, hasserd/Pixabay e Domínio público/Wikimedia Commons
Pesquisadores da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP testaram duas técnicas para melhorar a vazão de fluidos nas tubulações existentes em sistemas térmicos e de troca de calor como os de aparelhos de ar-condicionado, radiadores automotivos e refrigeradores, entre outras aplicações. O trabalho mostra que o uso de microcanais, tubos com diâmetro microscópico, em altas temperaturas, permitem que o fluxo aconteça tanto no estado líquido como na forma de vapor, podendo aumentar o desempenho dos equipamentos. O estudo avaliou ainda um fluido refrigerante com menos impacto ambiental que os atuais, o qual também proporciona maior eficiência.
A pesquisa do engenheiro Thalles Coimbra Borba Roldão, sob a orientação de Cristiano Bigonha Tibiriçá, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da EESC, foi premiada como a melhor Dissertação de Mestrado no Prêmio ABCM 2023, concedido pela Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas (ABCM), em julho deste ano, no Rio de Janeiro. “Essa pesquisa foi focada no estudo de escoamento interno em tubulações sob condições de alto desempenho, ou seja, elevados fluxos de calor, vazões e temperaturas”, destaca o professor. “Nestas condições, o escoamento pode ser tornar bifásico, ocorrendo o fenômeno de ebulição convectiva, no qual o fluido evapora, escoando tanto na fase líquida como na fase vapor. Este é um fenômeno fisicamente complexo, mas que permite aumentar drasticamente o desempenho de trocadores de calor e sistemas térmicos”.
“No nosso trabalho, estudamos esse fenômeno em microcanais, que são tubos com diâmetro pequeno, entre 50 e 3.000 micrômetros tipicamente”, explica Tibiriçá. “Devido a sua grande relevância, uma vez que muitas áreas se beneficiam ou podem se beneficiar desse tema de estudo, como refrigeração e radiadores automotivos, o tema se encontra em ascendente investigação pela comunidade científica”.
O professor também destaca que a melhor compreensão do fluxo crítico de calor pode auxiliar a geração e o uso de energia elétrica limpa, a partir do resfriamento de reatores nucleares, do aproveitamento de rejeitos térmicos que são frequentemente desperdiçados em processos industriais, do resfriamento de carregadores ultrarrápidos de baterias de carros elétricos e do aumento da eficiência de micro termelétricas. “Também buscamos comparar o desempenho de um fluido refrigerante novo, ecologicamente correto, com um fluido refrigerante mais antigo que possui maior impacto ambiental”, afirma. “O fluido mais novo, além de ter impacto ambiental significativamente menor, também teve melhor desempenho nos fenômenos de interesse estudados, o que nos mostra um caminho ecologicamente importante”.
Maior base de dados
Uma das principais contribuições da pesquisa foi a obtenção de bases de dados experimentais extensas sobre o fenômeno estudado, em faixas pouco exploradas na literatura atual, ajudando a expandir a disponibilidade de informações sobre o tema para a comunidade científica nacional e internacional. “Entre nossos dados, encontram-se valores recordes de coeficiente de transferência de calor e fluxo de calor em microcanal considerando os fluidos analisados. Além disso, foram obtidos resultados inéditos de transferência de calor para um novo fluido refrigerante de baixo impacto ambiental”, ressalta o professor.
Esquema mostrando os microcanais que realizam trocas térmicas (com o fluxo de frio em azul e o de calor em vermelho) em sistemas de refrigeração – Imagem: David Denkenberger, Michael Brandemuehl, M. Alverts, John Zhai, J.M.Pearce/Wikimedia Commons
“Trata-se de uma importante contribuição na área de transferência de calor em escoamentos bifásicos em microcanais”, aponta Tibiriçá. “Esse nicho de pesquisa que vem sendo largamente estudado nas últimas décadas e que já se encontra inserido em alguns dos equipamentos modernos que utilizamos, como nos aparelhos de ar-condicionado, radiadores automotivos, além de outras aplicações potenciais relevantes que muitas vezes não vemos diretamente, como na indústria de computação e TI, atuando no resfriamento de componentes eletrônicos”.
A dissertação de mestrado “Investigação do fluxo crítico de calor e da ebulição em filme aplicada a trocadores de calor compactos em alta temperatura” recebeu o Prêmio ABCM 2023, entre os 12 trabalhos que concorriam na mesma categoria. “Esse prêmio é uma grande confirmação de que todo o tempo e trabalho empenhados na pesquisa realmente levaram a resultados de qualidade, o que é gratificante, além de ser um incentivo para a continuidade do trabalho que desempenhamos”, celebra o professor da EESC.
Placa de microcanais em foto de microscópio, com um furo ao centro; escoamento de fluidos pode se tornar bifásico, nas formas de vapor e líquida, melhorando o desempenho dos trocadores de calor - Imagem: Dr. Olaf Hoffmann/Wikimedia Commons
Essa continuidade se dará com o aprimoramento da bancada experimental para realizar estudos semelhantes com fluidos adicionais, “entre eles o dióxido de carbono, que é uma tendência de pesquisa atual. O aprimoramento da bancada representará a obtenção de um aparato experimental com poucos equivalentes no Brasil e no mundo”, revela Tibiriçá. “Para isso, contaremos com todo o apoio que a EESC tradicionalmente aporta para a produção científica, de modo a transformar conhecimento em inovações e soluções que cheguem a toda sociedade”, conclui.
