Transferência de calor em nanofluidos: potencialidades e desafios

Abstract

Os nanofluidos apresentam um enorme potencial de aplicações e, embora, de uma forma geral, os domínios das aplicações electrónicas, biomédicas e dos transportes apareçam como os mais associados a esta área, quase todos os domínios específicos da clássica Engenharia Química são potencialmente, por natureza e direito próprios, parte integrante deste grande impulso inovador, desde os processos de adsorção, extracção, controlo de reacções químicas e principalmente simples transferência de calor. Perante isto, e tendo em conta que ainda existe um longo caminho a percorrer para a consolidação desta área, é importante que a “comunidade” de Engenharia Química a encare como um desafio de excelência. Neste sentido, este trabalho fornece um resumo da literatura, mostrando em que ponto se encontra a investigação em transferência de calor em nanofluidos e quais são os principais entraves ao desenvolvimento desta área. Procurou-se igualmente ao longo do trabalho, com recurso à teoria da transferência de calor, propor explicações físicas para certos resultados experimentais que têm sido obtidos. Efectuou-se ainda a comparação do desempenho de um permutador de calor de tubos concêntricos utilizando um fluido convencional, água, e um nanofluido alumina/água (38.4 nm) com uma fracção volúmica de 4%, para diferentes temperaturas. As condições de operação foram as mesmas quer para o fluido convencional quer para o nanofluido. O coeficiente de transferência de calor obtido para os nanofluidos foi superior e, consequentemente, o comprimento do tubo ou a superfície necessária para a transferência de calor para os nanofluidos foi inferior. Com o aumento da temperatura esta diferença tornou-se mais significativa. Apesar da maior viscosidade do nanofluido, o que resultou num valor do número de Reynolds 25% inferior ao do fluido convencional, verificou-se a partir de uma determinada temperatura um valor da queda de pressão inferior para os nanofluidos devido ao menor comprimento do tubo. Para fracções volúmicas de 3, 2 e 1%, o número de Reynolds foi de 18.5, 11.7 e 5% inferior, respectivamente, pelo que apesar da menor condutividade térmica relativamente à suspensão de fracção volúmica de 4%, os resultados obtidos foram melhores.

Nanofluids show a great potential for applications, and although generally the domains of electronics applications, biomedical, and transportation appear as most associated to this area, almost all the specific domains of the classical Chemical Engineering are potentially integrate part of these innovations, from adorption processes, extraction, control of chemical reactions, and mainly simple heat transfer process. Given this, and considering that there is a long way for the consolidation of this area, it is important that the Chemical Engineering community wake up to it. So, this work provides a literature review, showing the current status of nanofluids heat transfer and the barriers facing the development of this area. Using to the heat transfer theory, we try to propose physicals explanations for some results of experimental work with nanofluids. We compare the performance of a concentric tube heat exchanger with water as conventional fluid and a suspension of alumina nanoparticles (38.4 nm) with 4% volume fraction in water as nanofluids, at different temperatures. The results shows best heat transfer coefficient for nanofluid, and therefore the length of the tube or the heat transfer area was less for the nanofluid. In spite of the increase in viscosity with nanofluids (the Reynolds number was 25% smaller than that of the pure water), the pressure drop for the nanofluids became smaller than that of pure water from a certain temperature because of the shorter tube length. For 3, 2 and 1% volume fractions, the Reynolds number was 18.5, 11.7 and 5% smaller than that of the base fluids and so, despite the smaller thermal conductivity relatively to the 4% volume fractions suspension, the results obtained were better.