DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL
Para validação dos resultados obtidos através deste estudo teórico e contribuir mais efetivamente com o avanço das pesquisas nesta linha, utilizou-se dados experimentais próprios aquisitados no LTTC para um nanofluido comercial água-sílica, no contexto do projeto COPPE-CENPES [75]. Portanto, para um entendimento adequado sobre os resultados experimentais obtidos, far-se-á uma breve descrição a respeito do aparato experimental e dos experimentos correspondentes.
O aparato experimental para estudos de convecção forçada com nanofluidos objetiva a determinação de coeficientes de transferência de calor locais e médios para escoamento em tubos retos de seção circular, em função do número de Reynolds, variando-se a vazão do escoamento, bem como em função da posição axial ao longo do tubo e da concentração de nanopartículas no fluido.
No desenvolvimento deste trabalho, foram considerados alguns aspectos relevantes em função das mais recentes inovações e modificações na bancada experimental já disponível no LTTC, originalmente projetada e construída no projeto precursor junto ao CENPES/Petrobras [76]. O histórico de todas estas melhorias no circuito termohidráulico estão amplamente abordadas e justificadas nos relatórios de progressos e podem ser disponibilizados para consulta [75].
O circuito termohidráulico, mostrado nas Figuras 4.1 a,b e esquematizado na Figura 4.2 abaixo, está dividido em cinco partes: Aquecimento, Seção de Testes, Circuito Hidráulico, Sistema de Rejeição de Calor e Aquisição de Dados [14].
Figura 4.1.a,b – Visões gerais do circuito termohidráulico para medidas de convecção forçada de nanofluidos (LTTC, COPPE/UFRJ).
Para os estudos inerentes a este trabalho foi utilizado e avaliado um nanofluido comercial de óxido de silício (SiO2)-água [45, 50 e 53], o qual foi adquirido da empresa
americana Nanostructured & Amorphous Materials, Inc. A ficha técnica fornecida pelo fabricante do nanofluido utilizado é apresentada na tabela 4.1 mostrada abaixo e o recipiente comercializado é ilustrado na Figura 4.1.
Tabela 4.1 – Dados técnicos do nanofluido (SiO2)-água segundo o fabricante.
Tipo da nanopartícula SiO2 Tamanho da nanopartícula 30 nm Densidade da nanopartícula 2.2 g/cm3
pH 6-7
Concentração de nanopartículas 25 % em massa
Figura 4.3 – Recipiente do nanofluido (SiO2)-água adquirido (1 litro) (Nanostructured & Amorphous Materials Inc., EUA).
Foram empregados 2,5 litros do nanofluido no circuito, com uma concentração volumétrica nominal, antes da realização do experimento, de 12,794% de
nanopartículas de óxido de silício (25% em massa), posteriormente avaliada mais adequadamente de acordo com as medidas de fração volumétrica efetuadas no laboratório, com auxílio da estufa e da balança de precisão.
O sistema de aquisição de dados é responsável pela aquisição e armazenamento dos dados, a partir do processamento automático das informações proveniente de sensores, bem como pelo monitoramento nos componentes de suporte dos equipamentos do aparato experimental.
A aquisição de dados em um experimento típico do circuito térmohidráulico de convecção forçada inclui os arquivos de aquisição de vazão produzidos pelo programa “GramaTempo”, o arquivo de aquisição de temperaturas e voltagens gerado pelo Agilent, e outros dados de controle anotados pelo operador (temperatura ambiente, corrente na resistência aquecedora, etc.).
O programa “GramaTempo” é um aplicativo em C construído no LTTC, que permite a comunicação com a balança de precisão e o computador, registrando as medidas de tempo e massa e oferecendo ao operador o controle do início e final da operação enquanto estima a vazão durante a aquisição. Um grande volume de dados é gerado pela aquisição de temperaturas e voltagens do Agilent, que captura todo o processo transiente desde o ligamento do circuito térmico até o estabelecimento do regime permanente, requerendo um tratamento estatístico seguido pela apresentação gráfica e devidas comparações com previsões teóricas. Para tal fim foi construído um
notebook* na plataforma Mathematica [77] “ExperimentoNanofluido”. Este notebook é
modular podendo ser executado na íntegra ou apenas nos conjuntos de células de interesse para uma dada situação. Os grupos de células mais importantes podem ser assim descritos:
* notebook – terminologia utilizada para designar o código computacional no Mathematica.
a. Propriedades Termofísicas da Água e do Nanofluido
A partir de dados da literatura, efetuam-se interpolações para as propriedades termofísicas da água e empregam-se as fórmulas de correção para o nanofluido correspondente; pode-se também empregar os dados próprios de propriedades para o nanofluido.
b. Parâmetros Experimentais: Vazão, Temperaturas, Voltagens e Outros Dados O Módulo principal que lê os dados aquisitados de vazão, temperaturas e voltagens, tratando esses dados a seguir. Para o tratamento dos dados de vazão despreza-se 10% das medidas no início e final do processo, empregando-se a rotina
Regress* do Mathematica para análise estatística desses dados e obtenção da
estimativa da vazão. São efetuadas em geral seis réplicas para obtenção de médias, desvios-padrão e incertezas (intervalo de confiança de 95%). A utilização da função
Regress forneceu excelente concordância, o que foi observado na totalidade dos
experimentos aqui observados, e a incerteza associada, por exemplo, à vazão média permaneceu em torno de 3%.
*
Regress – função padrão do Mathematica que faz uma estimativa para os
coeficientes de curvas a partir de um conjunto de dados, neste caso a curva é linear. Já da aquisição de temperaturas e voltagens do Agilent, é selecionada uma janela de tempo dentro do período constatado como em regime permanente para obtenção das médias e incertezas de cada medida. Foi adotada aqui uma janela de cinco minutos em todas as estimativas, que se mostrou representativa em todos os experimentos, cujo tempo para atingir regime permanente variou de 15 minutos até cerca de 120 minutos em alguns casos, dependendo da vazão, condição inicial e potência fornecida.
Por fim, os resultados experimentais são consolidados pelo Mathematica, onde a primeira linha corresponde à temperatura de entrada do fluido e as demais correspondem aos termopares posicionados na parede externa do tubo nas posições axiais ali apresentadas. Observou-se que as incertezas destas medidas eram inferiores a 0,1 ºC em todas as posições.