Estabilização, caracterização e transferência de calor de nanofluidos : Stabilization, characterization and heat transfer of nanofluids

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

SAMUEL SCARASSATTI FREITAS

ESTABILIZAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E TRANSFERÊNCIA DE CALOR DE NANOFLUIDOS

STABILIZATION, CHARACTERIZATION AND HEAT TRANSFER OF NANOFLUIDS

CAMPINAS 2020

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SAMUEL SCARASSATTI FREITAS

ESTABILIZAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E TRANSFERÊNCIA DE CALOR DE NANOFLUIDOS

STABILIZATION, CHARACTERIZATION AND HEAT TRANSFER OF NANOFLUIDS

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutor em Engenharia de Alimentos.

Thesis presented to the Faculty of Food Engineering of University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Food Engineering.

Orientador (a): Prof. Dr. Vivaldo Silveira Júnior

Coorientador (a): Prof. Dr. José Maria Saíz Jabardo

Este trabalho corresponde à versão final da tese

defendida pelo aluno Samuel Scarrassatti

Freitas, e Orientada pelo professor Dr Vivaldo

Silveira Júnior

CAMPINAS 2020

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Claudia Aparecida Romano - CRB 8/5816

Freitas, Samuel Scarassatti,

F884e FreEstabilização, caracterização e transferência de calor de nanofluidos / Samuel Scarassatti Freitas. – Campinas, SP : [s.n.], 2020.

FreOrientador: Vivaldo Silveira Júnior. FreCoorientador: Jose Maria Saiz Jabardo.

FreTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos.

Fre1. Nanofluidos. 2. Nanotubos de carbono. 3. Propriedades termofísicas. 4. Trocador de calor de placas. 5. Reologia. I. Silveira Júnior, Vivaldo. II. Jabardo, Jose Maria Saiz. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de

Engenharia de Alimentos. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Stabilization, characterization and heat transfer of nanofluids Palavras-chave em inglês:

Nanofluids

Carbon nanotubes

Thermophysical properties Plate heat exchanger Rheology

Área de concentração: Engenharia de Alimentos Titulação: Doutor em Engenharia de Alimentos Banca examinadora:

Vivaldo Silveira Júnior [Orientador] Javier Telis Romero

Kamal Abdel Radi Ismail Maria Isabel Berto

Rodrigo Aparecido Jordan

Data de defesa: 24-07-2020

Programa de Pós-Graduação: Engenharia de Alimentos

Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)

- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0002-3287-3610 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/9567802205982357

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BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Vivaldo Silveira Júnior Membro Titular

Prof. Dr. Kamal Abdel Radi Ismail Membro Titular

Profa. Dra. Maria Isabel Berto Membro Titular

Prof. Dr. Javier Tellis Romero Membro Titular

Prof. Dr. Rodrigo Aparecido Jordan Membro Titular

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.

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DEDICO ESTE TRABALHO

Dedico este trabalho a Krishna, ao todo, cuja amizade, amor e apoio sincero me possibilitou a conclusão deste caminho.

Em especial a meus pais, Maria Lina Scarassatti Freitas e Cosme Delano Pereira Freitas e a todos meus antepassados.

Eu nada tenho que não seja emprestado e ofereço humildemente ao todo, aquilo que de melhor eu possa produzir.

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AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001 A Deus Pai Mãe

Todos meus mestres e professores Minha família: em especial, a meus Pais

Rafael Scarassatti Freitas, Naômi Ishiuchi Freitas e Melissa Yuri Ishiuchi Todos meus antepassados

A Andrea Mazaro

Tara, Lakshimi, Durga, Saraswatti, Portia, Renoir, Monet, Mondrian, Lilica, chocolate, Fefe e tuguinho e todos que estiveram antes e já se foram.

A UNICAMP

A todos demais órgãos fomentadores da pesquisa no Brasil.

Professores e funcionários da FEA em especial do DEA e em especial Andrea Ferrari Universidade da Coruña campus da Escola politecnica superior de Ferrol.

A Todos os funcionários da UDC

A Universidade de Santiago de Compostela Todos os colegas do laboratório LACPA A meus orientadores

Vivaldo Silveira Júnior José Maria Saìz Jabardo

Aos Amigos que contribuíram de maneira ímpar: Silvia Petean

Temiz Rute Saiz Jabardo Javier García Del Valle María Pilar Currás Castiñeira Alberto Arce Ceinos

Pablo Fariñas Alvarino Isabel lamas Galdo

Lincoln de Camargo Neves Filho Rosiane Lopes da Cunha

Júlian Martínez

Ricardo Augusto de Almeida Roger Kenny Miyamoto Kayano Vinicius Gatti

Zazá (Izaias Brito Cunha), Carlão ( Carlos Antonio Parreira Jr), Vanessa Silva Zezé, Dalcir, João Carlos

Artistas e músicos que trouxeram inspiração e ritmo em momentos cruciais: Pink Floyd; Tycho; Koan; Mozart; Vivaldi; Ludvico inaldi; Yann tiersen; As Técnicas de energia e reequilíbrio e todos os mestres que as disponibilizaram, compositores new age anônimos,

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EU VI TEUS OLHOS, TINHAM PAZ, NÃO MENTIAM. EU SENTI TUA MÃO SOBRE MINHA FRONTE.

SE JUNTAR TODA A FORÇA DO MAR COM A SUAVIDADE DAS NUVENS, AINDA ASSIM, NÃO PODEREI DESCREVER TEU TOQUE.

ME SENTI COMO UMA FOLHA TREMENDO EM MÃOS DE UM FURAÇÃO. EU OUVI TUA VOZ. TEM A FIRMEZA DOS SÉCULOS, A ALEGRIA DAS CRIANÇAS, O

CALOR DA MÃE, O PODER DE MIL CASCATAS, A MENSAGEM DE DEUS. VOCE FALOU E MEUS OUVIDOS NÃO ESCUTAVAM, MEUS OLHOS NÃO VIAM. SÓ

MINHAS MÃOS SE ABRIRAM Á PROCURA DA GRAÇA. SÓ MEU CORAÇÃO COMPREENDIA SÓ MINHA CONSCIÊNCIA CAPTAVA. ERA A VOZ DE MUITOS CRISTOS, DE MUITOS BUDDHAS E MUITOS MAHARAVIS, A VOZ DE TODOS OS ILUMINADOS E DE TANTOS OUTROS, CONCENTRADA ALI. E TUA VOZ ME FALOU

E EU OUVI. E TUA PALAVRA RESSOA ENTRE OS CANTOS DOS PÁSSAROS NA FLORESTA A CADA DIA, CADA MANHÃ, CADA ENTARDECER, COM UMA NOVA

MENSAGEM DE AMOR PARA ESSA SOCIEDADE NEURÓTICA VIOLENTA E DIVIDIDA QUE TANTO AMAS. EU, TRÊS VEZES DOUTORADO, DUAS VEZES PHD,

PENSAVA QUE MINHA CIÊNCIA, MEUS TÍTULOS E MEUS LIVROS IRIAM FAZER COM QUE ME AMASSE MAIS, MAS VOCE ME AMOU MAIS QUANDO EM MEUS OLHOS LEU MINHAS MISÉRIAS E MINHAS CARÊNCIAS. SENTADO A TEUS PÉS APRENDI MAIS SOBRE O AMOR DE CRISTO, SOBRE O NADA DE BUDDHA, SOBRE

A ALEGRIA DOS SUFIS E SOBRE MINHAS PRÓPRIAS MISÉRIAS DO QUE TUDO O QUE UNIVERSIDADES E LIVROS E HOMENS HAVIAM ME ENSINADO A VIDA

TODA.

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RESUMO

Os nanofluidos podem contribuir no aprimoramento da transferência de calor, porém, sua aplicabilidade, e a compreensão de suas propriedades ainda necessitam de estudos experimentais. Este trabalho objetiva a caracterização da estabilidade e das propriedades de transporte de nanofluidos em água e em solução de propilenoglicol, bem como o estudo da transferência de calor de nanofluidos produzidos com solução anti-congelante de propilenoglicol em água para utilização em sistemas de refrigeração. Inicialmente realizou-se um estudo sobre a estabilidade de diferentes nanopartículas em suspensões de água e propilenoglicol puros e, posteriormente, nas soluções de propilenoglicol com 50 % m/m. Nas suspensões aquosas, foram caracterizados apenas os nanofluidos com nanotubos de carbono, Multi walled Carbon Nanotubes (MWCNT), e nanotubos de carbono funcionalizados com grupo COOH, (COOH-MWCNT). Já nas suspensões em propilenoglicol (PG) e solução anticongelante (SaC) foi possível o estudo detalhado dos nanofluidos produzidos com ZnO, Al2O3, TiO2, MWCNT e COO-MWCNT em

diferentes tempos de sonicação. Nas suspensões aquosas, três diferentes nanofluidos foram estudados: 1) Dispersão de MWCNT em solução de Goma arábica; 2) Dispersão de MWCNT em solução de triton X-100 e 3) Dispersão de COOH-MWCNT (nanotubos de carbono funcionaliados) em solução aquosa. No estudo da transferência de calor para resfriamentos com trocadores de calor de tubos concênctricos e a placas, utilizou-se nanofluidos de COOH-MWCNT em solução anticongelante (SaC). Em ambos trocadores de calor, o aumento da vazão de água (fluido quente) e a redução da temperatura do fluido frio, evidenciam o aumento da transferência de calor com o nanofluido. O aumento do diferencial de temperatura entre os fluidos diminui a transferência de calor quando usado o nanofluido, devido ao maior aumento que ocorre na razão entre as viscosidades do nanoluido em relação ao fluido base em altas temperaturas. Os valores experimentais mostraram aumentos na transferência de calor entre 10 e 70 % nos trocadores de calor a placas e entre 10 e 100 % nos trocadores de calor de tubos concêntricos, justificando sua utilização em processos para resfriamento.

Palavras-chave: Nanofluidos; nanotubos de carbono; propriedades de transporte; trocador de calor a placas; trocador de calor tubo duplo.

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ABSTRACT

Nanofluids can represent an important contribution to the improvement of heat transfer, however, their applicability, and the understanding of their properties still require experimental studies. This work aims to characterize the stability and transport properties of nanofluids in water and in propylene glycol solution, as well as the study of the heat transfer of nanofluids produced with antifreeze solution of propylene glycol in water for use in refrigeration systems. Initially, it was carried out a study on the stability of different nanoparticles in pure water and propylene glycol suspensions and, subsequently, in 50 wt% propylene glycol solutions. Only nanofluids with Multi walled Carbon Nanotubes (MWCNT), and carbon nanotubes functionalized with the COOH group, (COOH-MWCNT) were characterized in the aqueous suspensions, while ZnO, Al2O3, TiO2, MWCNT and COO-MWCNT suspensions in propylene glycol (PG) and

antifreeze solution (SaC), were characterized. All nanofluids were studied in different sonication times. Three different nanofluids were studied in aqueous suspensions: 1) Dispersion of MWCNT in gum arabic solution; 2) Dispersion of MWCNT in triton X-100 solution and 3) Dispersion of COOH-MWCNT (functionalized carbon nanotubes). For the heat transfer study it was used COOH-MWCNT in an antifreeze solution (SaC). COOH-MWCNT nanofluids with antifreeze solution (SaC) were used in the study of heat transfer with double tube and plate heat exchanger. For both heat exchangers, the increase in the water (hot fluid) flow and the reduction in the temperature of the cold fluid, evidence the increase in heat transfer with the nanofluid. The increase in the temperature differential between the fluids, on the other hand, decreases the heat transfer with nanofluid, due to the greater increase that occurs in the ratio between the viscosities of the nanoluido and that of the base fluid at high temperatures. The experimental values showed significant increases in heat transfer between 10 and 70 % in plate heat exchangers and between 10 and 100 % in concentric tube heat exchangers, which would justify its use in cooling processes.

Keywords: Nanofluids; carbon nanotubes; Description; heat transfer, plate heat exchanger, double tube heat exchanger.

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

MWCNT – Multi Walled Carbon Nanotubes (nanotubos de carbono de paredes multiplas)

SWCNT – Single Walled Carbon Nanotubes (nanotubos de carbono de uma única parede)

DWCNT – Doble Walled Carbon Nanotubes (nanotubos de carbono de parede dupla) CNT – Carbon Nano Tubes (nanotubos de carbono)

A.G – Goma arábica TrX – Triton X-100

COOH – Grupo ácido carboxílico

COOH-MWCNT – Nanotubos de carbono de parede múltipla funcionalizados com grupo ácido carboxílico

A.G-MWCNT – nanofluidos com goma arábica e nanotubos de carbono de múltipla parede em água

TrX-MWCNT - nanofluidos com Triton X-100 e nanotubos de carbono de múltipla parede em água

COOH-MWCNT - nanofluidos com e nanotubos de carbono de múltipla parede funcionalizados com grupo ácido carboxílico

NF – Nanofluido

SaC – Solução anti congelante FB – Fluido base

TT – Transmissor de temperatura FT – Transmissor de fluxo PT – Transmissor de pressão

DPT – Transmissor de diferencial de pressão TK – Tanque

P – Bomba

E – Trocador de calor V – Válvula

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LISTA DE SIMBOLOS

 - Viscosidade [Pa.s]

m – Viscosidade do fluido [Pa.s]

p – Viscosidade do fluido na parede do trocador de calor [Pa.s]

k – Condutividade térmica [W/m.K]

Cp – Calor específico (pressão constante) [J/kg.K] Densidade [kg/m3_]

vazão mássica [kg/s] - vazão volumétrica [m3/s] Q - Calor trocado [W]

ΔT – Variação da temperatura [K]

U - Coeficiente global de transferência de calor [W/m2.K] S - Área de transferência de calor [m2]

he - coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2.K]

ɛp - Espessura da parede que separa ambos fluidos no trocador de calor [m]

Re – Reynolds [ - ] Pe - Peclet [ - ] Nu – Nusselt [ - ] Pr – Prandtl [ - ]

knf – Condutividade térmica do nanofluido [W/m.K]

knf/kfb – Condutividade térmica relativa do nanofluido em relação ao fluido base [ - ]

kfb – Condutividade térmica do fluido base [W/m.K]

nf - densidade do nanofluido [kg/m3]

fb - densidade do fluido-base [kg/m3]

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nf – Viscosidade do nanofluido [Pa.s]

fb – Viscosidade do fluido base [Pa.s]

nf/fb – Viscosidade relativa do nanofluido em relação ao fluido base [ - ]

Cpnf – Calor específico do nanofluido [J/kg.K]

Cpfb – Calor específico do fluido base [J/kg.K]

Cpnf/Cpfb – Calor específico relativo do nanofluido em relação ao fluido base [ - ]

USaC - Coeficiente global de transferência de calor da solução anti-congelante [W/m2.K]

UNF - Coeficiente global de transferência de calor do nanofluido [W/m2.K]

UNF/USaC - Coeficiente global de transferência de calor relativo do nanofluido em

relação ao fluido base [- ]

UNFTeo - Coeficiente global de transferência de calor do nanofluido calculado

teoricamente em função de Reynolds e Prandtl [W/m2.K]

USaCTeo - Coeficiente global de transferência de calor da solução anticongelante

calculado teoricamente em função de Reynolds e Prandtl [W/m2.K]

UNFTeo/USaCTeo - Coeficiente global de transferência de calor teórico relativo do

nanofluido em relação ao fluido base, ambos calculados teoricamente em função de Reynolds e Prandtl [ - ]

UNF/UNFTeo - Coeficiente global de transferência de calor relativo do nanofluido

experimental em relação ao valor teórico calculado em função de Reynolds e Prandtl [ - ]

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SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO GERAL ... 16 2. OBJETIVOS ... 20 2.1. Objetivo Geral ... 20 2.2. Objetivos Específicos ... 20 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20

3.1. Nanofluidos e propriedades termofísicas ... 20

3.2. Produção de nanopartículas e nanofluidos ... 21

3.3. Nanofluidos em soluções de propilenoglicol ... 23

3.4. Transferência de calor com nanofluidos e modelos teóricos ... 25

4. MATERIAL E MÉTODOS ... 29

ETAPA I: ESTUDO DA SUSPENSÃO DE NANOPARTÍCULAS EM ÁGUA PURA ... 29

I-4.1 Preparação de amostras ... 29

I-4.2 Medições do potencial zeta e distribuição média do tamanho ... 30

I-4.3 Caracterização de propriedades dos nanofluidos estabilizados ... 31

I-4.4 Condutividade Térmica ... 31

I-4.5 Medidas de distribuição do tamanho médio e morfologia em suspensão ... 32

I-4.6 Medições de densidade ... 33

I-4.7 Medições de viscosidade ... 33

I-4.8 Medições do calor específico ... 34

I-4.9. Tratamento dos dados e medida das incertezas ... 34

ETAPA II: ESTUDO DA SUSPENSÃO DE NANOPARTÍCULAS EM PROPILENOGLICOL E SOLUÇÃO ANTICONGELANTE ( COM SELEÇÃO DO NANOFLUIDO PARA ETAPA III) ... 36

II-4.1 Preparação de amostras ... 36

II-4.2 Caracterização de propriedades dos nanofluidos estabilizados ... 37

II-4.3 Medições do potencial zeta ... 37

II-4.4 Caracterização da estabilidade das propriedades termofísicas ... 37

II-4.5 Condutividade Térmica ... 37

II-4.6 Medidas de distribuição do tamanho ... 38

II-4.7 Medições de densidade ... 38

II-4.8 Medições de viscosidade ... 38

II-4.9 Medições do calor específico ... 39

II-4.10. Tratamento dos dados e cálculo de incertezas ... 39

II-4.11. Seleção do nanofluido para a Etapa III ... 40

ETAPA III: ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR COM O NANOFLUIDO SELECIONADO ... 41

(14)

III-4.4 Ensaios de escoamento e transferência de calor... 46

III-4.4.1 Ensaios para estudo da transferência de calor: ... 46

III-4.4.2 Avaliação da perda de pressão ... 49

III-4.4.3 Tratamento dos dados experimentais ... 50

III-4.4.4. Cálculo de incertezas ... 52

5. RESULTADOS E DISCUSÃO ... 55

ETAPA 1: ESTUDO DA SUSPENSÃO DE NANOPARTÍCULAS EM ÁGUA PURA ... 55

I-5.1 Avaliação da estabilidade do nanofluido pelo tempo de decantação ... 55

I-5.2 Estudo da dispersão e estabilidade ... 56

I-5.3 Avaliação do efeito de estabilizantes. ... 59

I-5.4 Caracterização das propriedades termofísicas dos nanofluidos aquosos com MWCNT. ... 70

I-5.4.1 Condutividade térmica ... 70

I-5.4.2 Densidade ... 77

I-5.4.3 Viscosidade ... 82

I-5.4.4 Calor específico ... 95

ETAPA II: ESTUDO DA SUSPENSÃO DE NANOPARTÍCULAS EM PROPILENOGLICOL E SOLUÇÕES ANTICONGELANTES ... 98

II-5.1 Propriedades de nanofluidos com diferentes nanopartículas em propilenoglicol puro ... 98

II-5.1.1 Avaliação da estabilidade. ... 98

II-5.1.2 Condutividade térmica (Nanopartículas em Propilenoglicol puro) ... 100

II-5.1.3 Viscosidade (Nanopartículas em Propilenoglicol puro) ... 103

II.5.2 Propriedades dos nanofluidos com diversas nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m ... 107

II-5.2.1 Tempo de decantação e estabilidade (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 107

II-5.2.2 Dispersão e estabilidade (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 108

II-5.2.3 Caracterização das propriedades (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 110

II-5.2.3.1 Condutividade térmica (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 110

II-5.2.3.2 Densidade (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 115

II-5.2.3.3 Viscosidade (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 118

II-5.2.3.4 Calor Específico (Nanopartículas em solução anticongelante de propilenoglicol de 50% m/m) ... 125

ETAPA III: ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR COM NANOFLUIDO DE SOLUÇÃO ANTICONGELANTE DE PROPILENOGLICOL DE 50% M/M ... 130

III-5. Utilização dos dados das propriedades empíricas para construção de modelos de predição: ... 130

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III 5.1 Cálculo da incerteza expandida ... 135

III-5.2 Trocador em tubo concêntrico: ... 137

III.5.3 Trocador a placas: ... 158

7. DISCUSSÃO GERAL ... 179

6.CONCLUSÕES ... 185

Etapa I - Estudo das suspensões de nanopartículas em água ... 185

Etapa II - Estudo da suspensão de nanopartículas em propilenoglicol e solução anticongelante. ... 186

Etapa III - Estudo da transferência de calor com o nanofluido selecionado na Etapa II. ... 188

9. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 189

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 192

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Introdução

1. INTRODUÇÃO GERAL

A transferência de calor nas operações industriais ocupa importante papel na qualidade do produto final e no desempenho energético de qualquer sistema. Atualmente, com a elevada necessidade de desenvolvimento de processos com alta eficiência energética e de produtos de alta qualidade, os estudos tem focado na melhoria das propriedades termofísicas e reológicas dos fluidos térmicos que interferem diretamente na eficiência de transferência de calor. As novas tecnologias criadas permitiram a fabricação de partículas com diâmetros nanométricos que podem ser suspensas em meio líquido (nanofluidos), que aumentam o potencial de transferência de energia térmica e a eficiência de trocadores de calor (WEN et al., 2009).

Por definição, os nanofluidos são suspensões de nanopartículas de diâmetro menor que 100 nm (CHOI, 1995), cuja estabilidade está diretamente relacionada com o tipo de interação entre a superfície da partícula e o fluido, com a diferença de densidade entre ambos e com a viscosidade do fluido (YU et al., 2008). Os estudos encontrados na literatura não oferecem uma descrição mais detalhada sobre a definição de estabilidade, o que torna mais abstrato uma definição de nanofluido estável, porém muitos pesquisadores indicam que a estabilidade é medida indiretamente pelo tempo de sedimentação, uma vez que, apesar de alguns casos este tempo ser longo, a sedimentação deve ocorrer para quase todos os nanofluidos, onde a densidade das partículas é maior do que a do fluido (PENG et al., 2006).

A utilização de nanofluidos promove significativo aumento na condutividade térmica, potencializando a taxa de transferência de calor, motivo pelo qual muitos estudos apontam para a real possibilidade de compactação de trocadores de calor (ÖZERINÇ et al., 2010; MOHAMMED et al., 2011B; AHMED et al., 2012). No entanto poucos estudos realizaram uma abordagem mais completa sobre as demais propriedades do fluido e seus impactos nos parâmetros de transferência de calor (WEN et al., 2009).

Conforme reporta Ahmed et al. (2012), na literatura, a caracterização das propriedades dos nanofluidos é vasta, porém, os resultados ainda apresentam divergências entre os diferentes pesquisadores. Os comportamentos da condutividade térmica e da viscosidade dos nanofluidos em relação a temperaturas, produzidos com as mesmas nanopartículas, apresentam significativas diferenças entre si, o que pode estar

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Introdução

relacionado aos equipamentos utilizados para medida, mas também a outras características, como estabilidade da suspensão e a distribuição do tamanho das partículas em suspensão, ambas propriedades dependentes do binômio tempo versus potência de sonicação (DING et al., 2007; WANG E MUJUMDAR, 2008B).

O processo de dispersão e estabilização é normalmente realizado por sonicação, devido a seu alto poder de quebrar os fortes agregados, naturalmente formados durante a produção de nanopartículas em duas etapas (DING et al., 2007). A produção em uma etapa é possível através da imersão direta da nanopartícula no fluido logo após sua produção, o que torna o processo oneroso e caro, desta forma a maioria das nanopartículas é produzida em duas etapas, onde primeiramente produzem-se as nanoparticulas que adquirem uma conformação de pó para depois serem dispersas no fluido, o que exige o processo de sonicação que pode ser aliado à aplicação de algum agente estabilizante como gomas ou surfactantes para evitar reagregação das partículas em suspensão (WUSIMAN et al., 2013).

Desta forma, o tempo de sonicação, o tamanho inicial das nanopartículas, pH e o tipo de interação das partículas com o fluido e entre si apresentam grande influência tanto na estabilidade quanto nas propriedades finais do nanofluido (YU et al., 2008), o que torna a caracterização das propriedades termofísicas e reológicas dos nanofluidos e a avaliação do impacto final na transferência de calor ainda mais complexa (WANG et al., 2009). Os aumentos registrados na condutividade térmica em trabalhos reportados por Eastman et al. (2001); Liu et al. (2009) e Sharma et al. (2009), apesar de expressivos, não explicam por si o aumento da transferência de calor obtidas nos trabalhos de Heris et al. (2012), Kim et al. (2008) e Jung et al. (2009), uma vez que o fenômeno da transferência de calor envolve a interação de várias propriedades inerentes ao fluido cuja condutividade térmica é apenas uma parte.

Os modelos teóricos desenvolvidos até o momento, ainda não explicam totalmente o fenômeno de transferência de calor em função da presença de nanopartículas, descrevendo o processo em faixas limitadas de aplicação (AHMED et al., 2012). Grande parcela dos modelos está baseada na teoria clássica de Maxwell que não leva em conta as interações entre as nanopartículas e o fluido base (BANDARRA FILHO et al., 2012) e por isso tendem a subestimar os valores que são medidos experimentalmente. Estudos recentes sugerem que as nanopartículas em suspensão afetam o desenvolvimento da camada limite de transferência de calor, o que altera

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Introdução

também as correlações de Nusselt que são funções dos números de Re e Pr (SARAFRAZ E HORMOZI, 2016).

Nos trabalhos de Buongiorno (2006); Zhang et al. (2009) e Farinas Alvarino et

al. (2012), a predição dos movimentos de difusão browniana por forças termoforéticas

(fenômeno que ocorre em meios líquidos com suspensões de partículas de diferentes tamanhos e morfologias, que respondem também cada uma a sua natureza distinta, quando submetida a forças do gradiente de temperatura no meio líquido) e por equações que levaram a uma maior aproximação dos valores do modelo com os dados experimentais, ainda não explicam totalmente o elevado aumento da transferência de calor observado no fluido (AHMED et al., 2012).

A maior parte dos trabalhos investiga o comportamento da transferência de calor no nanofluido, utilizando simplificações como a taxa constante de transferência de calor ou temperatura de parede constante, o que ajuda a caracterizar o processo, porém não fornece muita informação sobre o impacto final na transferência de calor entre dois fluidos em um trocador de calor industrial. Além disso, o estudo do comportamento dos nanofluidos, como fluidos térmicos a baixa temperatura, em processos de refrigeração, ainda está pouco investigado, tanto em soluções aquosas quanto em soluções de propilenoglicol, muito aplicada na indústria de alimentos, não apresentam muitos estudos na literatura científica.

Neste contexto, o estudo das propriedades termofísicas e reológicas dos nanofluidos, vinculado às condições empíricas da transferência de calor, tanto dos nanofluidos quanto dos fluidos base, faz-se necessário para a avaliação do real benefício ao processo e para o desenvolvimento de novas correlações que levem a melhor compreensão do comportamento dos nanofluidos durante a transferência de calor.

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Objetivos

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo Geral

O objetivo geral consiste na caracterização termofísica e reológica de nanofluidos com seus fluidos base e na avaliação empírica comparativa da transferência de calor e da quantidade de movimento em trocadores de calor tubular concêntrico e a placas para resfriamento de água como fluido comum.

2.2. Objetivos Específicos

(i) Produzir nanofluidos estáveis e estudar os efeitos de diferentes pHs e concentrações de agentes surfactantes soluções de nanotubos de carbono, TiO2,

ZnO, Al2O3 e Cu2O, sendo nanopartículas dispersas em diferentes fluidos:

propilenoglicol puro, água destilada e em solução anticongelante de propilenoglicol/água a 50% m/m.

(ii) Determinar as propriedades termofísicas (condutividade térmica, calor específico, densidade e tamanho médio de partículas) e fluidodinâmicas (viscosidade) dos nanofluidos produzidos em diferentes condições de temperatura e do tempo de sonicação.

(iii) Estudar a transferência de calor em trocador de calor de tubos concêntricos, resfriando água como fluido quente contra os diferentes fluidos-base e contra os nanofluidos a baixa temperatura.

(iv) Estudar a transferência de calor em trocador de calor a placas utilizando água como fluido quente contra os diferentes fluidos-base e contra os nanofluidos a baixa temperatura.

(v) Quantificar a variação dos parâmetros empíricos das correlações Nu=f(Re, Pr) para os trocadores de calor de tubos concêntricos e a placas.

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Revisão bibliográfica

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. Nanofluidos e propriedades termofísicas

Nanofluido é o termo sugerido por Choi (1995) que designa fluidos nos quais estão suspensas partículas não dissolvidas de dimensões nanométricas, menores do que 100 nm (KAKAÇ e PRAMUANJAROENKIJ, 2009). Conforme Wang e Mujumdar (2008a), a suspensão de partículas sólidas ocasiona o aumento da condutividade térmica do fluido e melhora a transferência de calor por convecção pelos mecanismos ainda não compreendidos totalmente.

As nanopartículas podem ser de diversos materiais como cerâmicas de óxido (Al2O3 e CuO), cerâmicas de nitreto (AIN e SiN), carbonetos de cerâmica (SiC e TiC),

metais (Ag, Au, Cu e Fe), semicondutores (TiO2) e nanotubos de carbono com parede

simples, dupla ou multicomposta (SWCNT, DWCNT e MWCNT), além de outros materiais (SAIDUR et al., 2011; AHMED et al., 2012).

Muitos estudos relatam um aumento superior ao esperado na condutividade térmica do fluido com diferentes concentrações de nanopartículas (AHMED et al., 2012). No estudo de Eastman et al. (1997), foi alcançado um aumento de 60 % na condutividade térmica em comparação ao respectivo fluido base, utilizando uma concentração de 5 % v/v de CuO. Alguns estudos apontam para a influência do material e também do tamanho/formato das nanopartículas no desempenho térmico do nanofluido (WANG e MUJUMDAR, 2007).

Conforme Das et al. (2006), o aumento na condutividade térmica é bastante influenciado pelo material da nanopartícula. Partículas metálicas apresentam elevados ganhos na condutividade térmica em pequenas concentrações assim como os nanotubos de carbono. Xuan e Li (2000) relataram um aumento em 55 % na condutividade térmica, utilizando uma concentração de 5 % v/v de nanopartículas de Cu de 100 nm de diâmetro. Porém, a utilização de nanoparticulas de CuO com 36 nm em diâmetro, apresentou semelhante aumento na mesma concentração volumétrica, indicando também, grande influência do tamanho da partícula na propriedade termofísica do nanofluido, dado que a presença do oxigênio demonstrou significativa redução da condutividade térmica no mesmo estudo (WANG e MUJUMDAR, 2007).

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De acordo com Wang et al. (2009), a condutividade térmica é altamente dependente da estabilidade da suspensão que esta diretamente relacionada com o tamanho das nanopartículas. Nanopartículas de pequeno diâmetro apresentam maior estabilidade à sedimentação, porém maior tendência à aglomeração, o que pode levar ao fenômeno de sedimentação. Nanofluidos mais estáveis podem ser produzidos a partir da utilização de agentes estabilizantes em combinação com o pH junto à sonicação da suspensão por tempos prolongados (PENG et al., 2006), processo onde as ondas de ultrassom são emitidas na suspensão por sonda que provoca o rompimento de nanopartículas agregadas por causa do efeito de cavitação. Lee et al (2008) utilizaram um tempo de 5 horas de sonicação para alcançar boa estabilidade eletrostática, que é indicada por valor do potencial zeta acima de 30 mV (miliVoltz) das partículas em suspensão, conforme indicado por Müller (1996).

Entre as nanopartículas utilizadas, destacam-se os nanotubos de carbono por sua alta condutividade térmica de 3.000 W / mK (HAN e FINA, 2011; WALVEKAR et al., 2012). A sua forma cilíndrica alongada e oca com baixa densidade contribui para a sua estabilidade contra a decantação em suspensão (RASHMI et al., 2013; SADRI et al., 2014).

A utilização de nanotubos de carbono (Multi Walled Carbon Nanotube -MWCNT) aumenta a condutividade térmica em valores até 14,4 vezes maiores do que os aumentos verificados pela utilização de outras nanopartículas, como os óxidos metálicos, na mesma concentração, promovendo um aumento acima de 72 % na condutividade térmica do fluido-base com concentração mássica de 0,4 % (SINGH et

al., 2012). Aravind e Ramaprabhu (2013) reportaram o aumento em 10,5 % no valor da

condutividade térmica a partir de uma suspensão de 0,04 % v/v de nanotubos de carbono em água, já Harish et al. (2012) relataram um aumento máximo de 14,8 % na condutividade térmica utilizando 0,2 % v/v em etilenoglicol.

3.2. Produção de nanopartículas e nanofluidos

As técnicas de produção de nanopartículas podem ser divididas em duas categorias, processos físicos e processos químicos. Os processos físicos podem ser feitos por moagem ou por condensação de gás inerte, técnica desenvolvida por Granqvist e Buhrman (1976). A produção de nanopartículas por métodos químicos pode

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ser feita por precipitação química, deposição química ou a vapor, microemulsão, pulverização térmica e por pirólise em pulverização ou ainda por sonicação química (WANG e MUJUMDAR, 2007).

Existem muitos fluidos que podem ser utilizados como base para a aplicação das nanopartículas, os mais comuns e estudados até o momento são a água e o etilenoglicol (SAIDUR et al., 2011). A produção do nanofluido se faz pela dispersão das nanopartículas no fluido por dois métodos: 1) Método em uma etapa e 2) Método em duas etapas.

No método de uma etapa, a dispersão das nanoparticulas ocorre no momento de sua produção, reduzindo problemas com aglomeração e permitindo a produção de nanopartículas metálicas (WEN et al., 2009).

No processo em duas etapas, as nanopartículas são produzidas em grande escala durante a primeira etapa e depois são dispersas no fluido-base. É um processo menos oneroso e viabiliza a comercialização das nanopartículas, porém exige a utilização de alguma técnica complementar para reduzir a quantidade de partículas aglomeradas (AHMED et al., 2012). A maior parte dos nanofluidos produzidos com nanopartículas de óxidos ou de nanotubos de carbono, reportadas na literatura, provém da técnica de dois passos (SAIDUR et al., 2011; AHMED et al., 2012).

A preparação de suspensões homogêneas ainda é um desafio técnico, devido à força de Van der Waals, entre as nanopartículas que favorece a formação de agregados e aumenta, conforme a diminuição do tamanho das partículas. Os métodos aplicados para a prevenção dos agregados constituem-se da adição de surfactantes, alteração do pH do fluido e aplicação de choque mecânico como alta agitação ou aplicação de ondas ultrassônicas, mais utilizada para separar os agregados já formados (GHADIMI et al., 2011).

Para as suspensões de nanotubos de carbono em água, uma boa estabilização pode ser conseguida utilizando surfactantes (GENG et al., 2008) que se ligam à parede dos nanotubos e impedem a sua aglomeração por impedimento estérico, podendo também oferecer uma repulsão elétrica no caso de tensioativos catiônicos e aniônicos (RASTOGI et al., 2008; XIAO et al., 2007; SUN et al., 2008). A magnitude da sua influência nas propriedades físicas do fluido não é bem conhecida, uma vez que o tipo de tensioativo / estabilizador também influencia a condutividade térmica dos nanofluidos (RASTOGI et al., 2008; WANG, 2009).

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Um estudo comparativo de suspensões aquosas de MWCNT com diferentes surfactantes mostrou que a dispersão de Triton X-100 [1,1,3,3-tetrametilbutil fenil-polietileno glicol] apresenta maior poder de dispersão do que outros surfactantes usados em outros estudos como o Tween 20 [Monolaurato de polietileno glicol sorbitano ], Tween 80 [Monooleato de polietileno glicol sorbitano] e dodecil sulfato de sódio (SDS) (RASTOGI et al., 2008), porém o estudo não abordou a caracterização das propriedades termofísicas, nem reológicas dos nanofluidos produzidos com Triton X-100.

A caracterização dos nanofluidos aquosos com MWCNT foi realizada por muitos estudos utilizando a goma arábica, que é um polissacarídeo com propriedades surfactantes catiônico, onde se observou boa estabilidade dos nanofluidos e baixa influência na condutividade térmica da água pela presença da goma arábica em baixas concentrações (RUAN e JACOBI, 2012; SADRI et al., 2014). Os estudos indicam aumentos significativos da condutividade térmica da suspensão aquosa, utilizando goma arábica na concentração da 0,25 % em massa com diversas concentrações de MWCNT desde 0,1 até 1,0 % em massa (SADRI et al., 2014; GARG et al., 2009).

De acordo com Kuzmany et al. (2004a), a funcionalização da parede dos CNTs é outra forma de estabilizar as suspensões aquosas de nanotubos por meio da inserção de grupos COOH na superfície com um tratamento químico que utiliza soluções de ácido sulfúrico e nítrico, resultando na formação em vários grupos funcionais (COOH) na parede dos nanotubos. Estes grupos ácidos interagem com as moléculas de água pela sua natureza polar, o que promove o necessário distanciamento entre as moléculas de MWCNT e evita a aglomeração (MANANGHAYA et al., 2016).

3.3. Nanofluidos em soluções de propilenoglicol

De acordo com Yu et al. (2011), Wozniak et al. (2013) e Satti et al. (2017), os nanofluidos com soluções de propilenoglicol causam aumentos significativos na condutividade térmica, no entanto, muitos estudos também relatam aumentos elevados da viscosidade (VAJJHA et al., 2015; WOZNIAK et al., 2016 e NAIK e SUNDAR, 2014).

A dispersão de nanopartículas em soluções aquosas de propilenoglicol apresenta, como principal vantagem, a alta viscosidade natural do fluido base que propicia maior estabilidade quanto à decantação das nanopartículas e menor aumento relativo da

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viscosidade que tende a impactar positivamente sobre as propriedades de transferência de calor final (WOZNIAK et al., 2013).

Suganthi e Rajan (2014) identificaram uma forte dependência da variação da condutividade térmica e da viscosidade com o tempo de sonificação dos nanofluidos, usando nanopartículas ZnO em soluções aquosas de propilenoglicol, o que indica que a redução do tamanho de partícula melhora a sua propriedades fluido-dinâmicas além de reduzir a taxa de decantação. O estudo também identificou que a dispersão de nanopartículas em propilenoglicol puro, seguido por diluição em água, causa um maior aumento da condutividade térmica e menor viscosidade final de nanofluido, comparando com os nanofluidos dispersos pelo mesmo tempo diretamente na solução aquosa de propilenoglicol. Também utilizando ZnO em propilenoglicol puro, Suganthi et al. (2014) obtiveram aumentos bastante significativos na condutividade térmica que foram mais relevantes a temperaturas mais baixas, obtendo um aumento próximo de 40% à 10 °C, usando 2 % em volume.

De acordo com Satti et al. (2017), o aumento da condutividade pode ser expresso como uma dependência do movimento browniano, do número de Biot, da temperatura do nanofluido, da concentração e também das propriedades das nanopartículas, levando a valores muito próximos dos estudos empíricos de outros autores dentro de uma faixa de -30 a 90 °C. O aumento da condutividade térmica do nanofluido é maior com o aumento da temperatura e está diretamente correlacionado com a natureza das nanopartículas e seu tamanho, onde observou o maior aumento nas partículas de maior diâmetro. As nanopartículas de Al2O3 proporcionaram um aumento na condutividade

térmica do nanofluido entre 2 e 12,2 %, enquanto o ZnO aumentou de 4,3 para 21,4 %, usando concentrações entre 0,5 e 6,0 % v/v. O menor aumento foi observado com as nanopartículas de TiO2, atingindo valores de 1 a 7,3 % maiores que o fluido base,

utilizando uma solução de propilenoglicol em água com 60/40 % m/m.

Em outro estudo, Satti et al. (2016a) reportaram a redução do calor específico com a concentração de nanopartículas, onde obeservaram pequenas reduções nas menores concentrações de nanopartículas entre 0,5 e 1,5% v/v, indicando que os nanofluidos tendem a ser mais benéficos para os processos de transferência de calor, quando em baixas concentrações de nanopartículas, devido a alta condutividade térmica alcançada aliada ao menor aumento de viscosidade e menor redução do calor específico.

Outros estudos também relatam a redução do calor específico de nanofluidos com o aumento da concentração de nanopartículas (VAJJHA e DAS, 2009). De acordo com

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Vajjha e Das (2012), a redução do calor específico pode atingir valores superiores a 13 % quando é utilizada uma concentração de 6 % em volume. Para o mesmo nanofluido, observou-se um aumento da densidade, da viscosidade e de condutividade térmica em 13, 91 e 22 %, respectivamente.

A densidade é outra propriedade utilizada para a predição de propriedades de transferência de calor de nanofluidos que, de acordo com estudos, apresentam uma variação proporcional à natureza das nanopartículas e sua concentração mássica, o que torna a densidade uma propriedade previsível como uma função da concentração de nanopartículas, diferente da viscosidade que sofre um grande aumento, à medida que a concentração de nanopartículas aumenta (SATTI et al., 2016b). De acordo com Vajjha et al. (2015), o uso de 5 % em peso de ZnO causa aumentos de 40 e 33% na viscosidade do fluido, nas temperaturas de -30 e 30 °C, respectivamente. Já na concentração de 6 % em peso, o aumento de viscosidade atinge valores entre 94 e 71% nas temperaturas de -30 e -30 °C, respectivamente. Além da temperatura, o tamanho médio das partículas apresenta alto impacto sobre esse aumento, promovendo um maior aumento de viscosidade à medida que o tamanho médio aumenta.

3.4. Transferência de calor com nanofluidos e modelos teóricos

Embora já muito estudado, o fenômeno da transferência de calor por intermédio de nanofluidos ainda não está completamente elucidado (KAKAÇ e PRAMUANJAROENKIJ, 2009; AHMED et al., 2012). Vários estudos como o de Mohammed et al. (2011a) e Hasanuzzaman et al. (2011) demonstram aumentos superiores aos valores esperados no coeficiente de convecção, devido ao novo valor da condutividade térmica do fluido, porém, ainda existem muitos dados controversos na literatura que abrem espaço para mais discussões (WANG e MUJUMDAR, 2008A).

Conforme Pak e Cho (1998), as suspensões aquosas de nanopartículas de Alumínio e titânio, ocasionaram aumentos no valor de Nusselt, acima de 30 % em relação ao valor predito pela equação de Dittus-Boelter para trocador de calor tubular concêntrico. Similarmente, Xuan e Li (2003) também obtiveram valores experimentais de 30 % maiores, utilizando nanofluidos de CuO/água em regime turbulento.

Utilizando 0,5 % em fração mássica de nanotubos de carbono, Ding et al. (2006) reportaram um aumento superior a 350 % no valor de Nusselt para um escoamento com

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Reynolds igual a 800 em trocadores de calor tubular. Os resultados indicam a tendência de redução do aumento no coeficiente de transferência térmica em função do aumento da distância axial.

Wen e Ding (2004) reportaram significativo aumento no coeficiente de transferência de calor na região de entrada do trocador de calor, onde o perfil de temperatura no processo de transferência de calor ainda não estava plenamente desenvolvido, obtendo resultado similar ao que foi obtido por Anoop et al. (2009), onde observaram aumentos de 31 % no ponto onde a distância percorrida dividida pelo diâmetro foi gual a 63, (x/D = 63) a partir da seção de entrada, de 25 % no ponto x/D = 147 e de 10 % no ponto x/D = 244. Conforme Wen e Ding (2004), o coeficiente de transferência de calor apresentou aumento superior a 40 % em relação ao fluido-base na maior concentração estudada.

O comportamento diferenciado do coeficiente de transferência de calor é atribuído à dispersão térmica e ao aumento da turbulência em função da movimentação das nanopartículas. Um estudo teórico revelou que somente a difusão browniana e a termoforesi representam mecanismos capazes de provocar uma velocidade relativa das nanopartículas (difusão), porém o transporte de energia pela dispersão das partículas não explica o aumento diferenciado do coeficiente de transferência de calor, mas que o maior impacto das nanopartículas está na transferência de calor na subcamada laminar (BUONGIORNO, 2006).

De acordo com Farinas et al. (2012), os movimentos de difusão browniana e termoforética alteram a concentração de nanopartículas na região próxima à parede, exercendo influência nas transferências de quantidade de momento e de calor. Os pesquisadores relatam o desenvolvimento diferente da camada limite ao longo do tubo que altera os perfis de velocidade e de temperatura em regime laminar. O estudo revelou também o aumento do desvio entre os perfis de temperatura e velocidade em função da concentração. No escoamento em regime turbulento de um fluido aquecido, o gradiente de temperatura radial e as termoforésis podem resultar em uma redução significativa da viscosidade na camada limite, levando ao aumento na transferência de calor (BUONGIORNO, 2006).

O estudo da transferência de calor com nanofluidos apresentou significativos aumentos no coeficiente de transferência de calor, possibilitando a redução dos equipamentos e mesmo a redução na vazão ao utilizar nanofluidos de CuO em substituição da água para uma mesma potência térmica (PANTZALI et al., 2009).

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Suganthi e Rajan (2015) reportaram um aumento de 4,3 % na taxa de transferência de calor, utilizando 2 % v/v de ZnO em propilenoglicol puro, onde foi observado um aumento de 26 % no coeficiente global de transferência de calor com o aumento da concentração de nanopartículas. Muitos estudos reportados a respeito da utilização de nanofluidos em trocadores de calor apontam para significativos aumentos no desempenho térmico, porém, observa-se também que a maioria dos trabalhos relata elevado aumento da perda de pressão durante o bombeamento e significativo aumento do consumo de energia durante o bombeamento (DAS et al., 2006; AHMED et al., 2012A e HUMINIC e HUMINIC, 2012).

De acordo com Pak e Cho (1998), a dispersão de nanopartículas de gama-Al2O3

aumentou a viscosidade do nanofluidoem 200 vezes em relação a água (fluido base), já a dispersão de TiO2 ocasionou um aumento equivalente a 3 vezes. Conforme os

pesquisadores, estes aumentos superam o valor predito pela equação clássica de Einstein (1941) [ ∗ 1 ]; sendo μe μ as viscosidades do nanofluido e do fluido base, respectivamente, e a fração volumétrica do volume total ocupado pelas nanopartículas. A utilização de suspensões em concentrações volumétricas de 2 % ocasionou um aumento na viscosidade, equivalente a quatro vezes o valor predito (GARG et al., 2008).

O aumento da viscosidade ocasiona reflexos no fator de fricção durante o escoamento e por consequência o aumento na demanda de potência elétrica da bomba. De acordo com Bontemps et al. (2008a), a inclusão de nanoparticulas de SiO2

ocasionou significativos aumentos no coeficiente de transferência térmica, conforme o aumento da temperatura, porém a avaliação do custo energético demonstrou melhor eficiência do fluido puro.

Segundo Pantzali e Kanaris (2009) e Pantzali et al. (2009), a utilização de nanofluidos de CuO em água apresentou baixo aumento no valor de Nusselt e significativo aumento do consumo de energia elétrica em regimes turbulentos plenamente desenvolvidos com trocadores de calor a placas. Sharma et al. (2009) reportaram significativos aumentos em aproximadamente 24 % na transferência de calor para Reynolds igual a 9000, utilizando nanofluidos de Al2O3 com água a 0,1 % em

volume, em trocador de calor circular de parede aquecida, porém o fator de fricção apresentou um aumento de 21 %.

Nas investigações de Goodarzi et al. (2015), a adição de MWCNT em água aumentou o coeficiente de transferência de calor em trocador de calor a placas, porém o

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aumento da concentração da nanopartículas que leva à redução do valor de Peclet tende a ocasionar o aumento o fator de fricção, causando aumento na potência de bombeamento do fluido. Porém Sarafraz e Hormozi (2016) reportaram um aumento superior a 68 % no coeficiente de transferência de calor em comparação com o fluido-base (água), onde o aumento no coeficiente de fricção e seu impacto na perda de pressão da linha puderam ser desprezados.

A utilização de nanofluidos em soluções anticongelantes ainda está pouco estudada e, recentemente, estudos revelaram grande potencial para sua utilização, principalmente por causa da melhor estabilidade que as nanopartículas apresentam em suspensão nas baixas temperaturas. O propilenoglicol é um fluido muito utilizado em solução anticongelante dentro da indústria de alimentos pelo seu caráter atóxico e de baixa temperatura de solidificação, porém, apesar de ser um fluido utilizado para transferência de calor, suas propriedades termofísicas prejudicam a eficiência do processo, principalmente pela baixa condutividade térmica e alta viscosidade destes fluidos (SATTI et al., 2017). A dispersão de nanopartículas mostra-se como uma alternativa interessante para aplicações de transferência de calor, influenciando positivamente na condutividade térmica e na densidade destes fluidos puros, bem como em soluções aquosas (MANIKANDAN et al., 2014).

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Material e métodos Etapa I

4. MATERIAL E MÉTODOS

O estudo foi dividido em três etapas através das quais buscamos identificar s características mais importantes sobre a estabilização e as propriedades dos nanofluidos em solução aquosa na ETAPA I. Na ETAPA II caracterizamos as características mais importantes sobre a estabilização e as propriedades de nanofluidos compostos por propilenoglicol puro e também em soluções de propileno glicol e água na proporção de 50% m/m Já na ETAPA III os dados de propriedades e estabilidade reunidos nos estudo prévios foram utilizados para a escolha de um nanofluido apto a ser submetido a processos de transferência de calor em temperaturas abaixo de zero para verificar o comportamento do processo em diferentes condições, visando uma aplicação prática em sistemas de refrigeração.

E

TAPA

I:

ESTUDO DA SUSPENSÃO DE NANOPARTÍCULAS EM ÁGUA PURA

I-4.1 Preparação de amostras

As nanoparticulas de óxido métálico foram adquiridas da empresa Sigma Aldrich, enquanto os nanotubos de carbono foram adquiridos da Timesnano localizada na academia Chinesa de ciências. Com estas nanopartículas, foram produzidos nanofluidos com diferentes concentrações de Al2O3, TiO2, ZnO, CuO, nanotubos de

carbono multiparede (MWCNT) e nanotubos funcionalizados (COOH-MWCNT). Um resumo das propriedads fornecidas pelos fabricantes está descrito na Tabela 28 dos anexos.

As amostras foram dispersas pelo sonicador Prob TT13 do equipamento Sonoplus HD 2200 que permite a variação do poder de sonicação numa gama de 20 a 200 W com frequência de 20 kHz. Após testes preliminares a potência de sonicação foi ajustada para 100 W (Watts) em 250 mL (mililitros) de fluido para todas as amostras produzidas com um mínimo de 40 minutos de tempo de sonicação para as amostras com nanotubos de carbono e com 1 hora para as partículas de óxido metálico. O procedimento foi realizado em um banho de gelo suportado por um sistema de arrefecimento para manter a temperatura baixa, evitando que o nanofluido atingisse mais do que 35 °C no final do período de sonicação.

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A avaliação visual permite identificar se os nanofluidos apresentam estabilidade suficiente, indicada pela sedimentação visível em 48 horas, para caracterização de suas propriedades em maiores concentrações de partículas.

Os nanofluidos produzidos que não apresentaram sedimentação visível após 48 horas foram caracterizados pela sua estabilidade com as análises do potencial zeta e do tamanho médio. As amostras que não apresentaram estabilidade devido às forças van der Walls (meio polar / partícula apolar) foram submetidas a diferentes métodos de estabilização para avaliação dos efeitos nas propriedades termofísicas.

Os nanofluidos aquosos foram divididos em: MWCNT-Água; MWCNT-A.G-Água (goma arábica como surfactante 0,25 % em peso); MWCNT-TrX-MWCNT-A.G-Água (Triton X-100 como tensoativo a 0,25% em peso) e COOH-MWCNT-Água (Nanotubos funcionaliados em água); CuO-Água; CuO-A.G-Água; TiO2-Água; TiO2-A.G-Água;

ZnO-Água; ZnO-A.G-Água; Al2O3-Água; Al2O3-A.G-Água. Os nanofluidos foram

produzidos, utilizando 0,1% de nanotubos de carbono m/m, e a produção foi realizada em diferentes valores de pH para determinar as melhores condições para estabilidade e dispersão, um resumo das nanoparticulas e dos nanofluidos testados estão dispostos na Tabela 1.

Tabela 1 Relação de nanopartículas e nanofluidos utilizados no estudo inicial da estabilidade na Etapa I. Nanopartículas Nanofluidos aquosos

MWCNT MWCNT-Água MWCNT-A.G-Água MWCNT-TrX-Água COOH-MWCNT COOH-MWCNT-Água ZnO ZnO-Água ZnO-A.G-Água Al2O3 Al2O3-Água Al2O3-A.G-Água TiO2 TiO2-Água TiO2-A.G-Água CuO CuO-Água CuO-A.G-Água

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Cada medida de potencial zeta e distribuição de tamanho foram feitas para nanofluidos expostos a quatro condições diferentes: 1) Repouso durante 48 horas após a dispersão por sonicação; 2) aquecimento (a 90 °C durante 1 hora, evitando a evaporação); 3) agitação (5 minutos a 4100 rpm) e 4) agitação (5 minutos a 4100 rpm) após aquecimento a 90 °C por uma hora.

Esta avaliação não é descrita em outros estudos, mas foi útil para observar mudanças substanciais na dispersão que contribuíram para caracterizar os nanofluidos e seu potencial para desestabilizar durante uma aplicação real no processo de transferência de calor.

I-4.3 Caracterização de propriedades dos nanofluidos estabilizados

Determinaram-se melhores condições para a análise das propriedades termofísicas por meio de ensaios preliminares, onde foram escolhidas dispersões com surfactante (Triton X-100 e goma arábica), sem alteração do pH e soluções com pH = 10,0 para dispersões de nanotubos funcionalizados (COOH-MWCNT). Os três tipos de dispersões: A.G-MWCNT, TrX-MWCNT e COOH-MWCNT foram avaliados nas suas propriedades físicas, utilizando nanofluidos com MWCNT a 0,125; 0,25; 0,5 e 1,0 % m/m em água e com 0,25 % m/m de surfactante (A.G ou TrX). Para as dispersões de COOH-MWCNT, foram utilizadas as mesmas concentrações de nanotubos de carbono sem qualquer surfactante.

Foram aplicados tempos de sonicação diferentes a cada amostra num intervalo de 40 a 400 minutos, utilizando 60 minutos como intervalos de tempo a partir dos 40 minutos iniciais. Determinações de condutividade térmica (k [W/K.m]), tamanho médio (s [nm]), densidade (kg/m3_{), viscosidade ( [Pa.s]) e tensão superficial ( )}

foram realizadas após cada 60 minutos de sonicação.

I-4.4 Condutividade Térmica

As medições de condutividade térmica e calor específico foram realizadas no sistema LAMBDA 1 F5-Technologie que usam o fio quente com sistema de medição de alta precisão para fluidos. De acordo com o fabricante o dispositivo de medição utiliza o método não estacionário que exclui a influência de convecção no processo de medição

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pelo processamento dos dados obtidos numa alta frequência de aquisição (aprox. 800 ms), o que permite a obtenção de medições de condutividade térmica, k, em um período de aproximadamente 60 segundos.

A sonda de fio quente é utilizada como a fonte de calor devido ao efeito joule ao conduzir corrente elétrica. Ao mesmo tempo o material de titânio possui uma resistência elétrica própria que varia em função da temperatura do material, desta forma o próprio fio condutor atua como sensor e transdutor de temperatura ao mesmo tempo em que é aquecido a uma taxa conhecida de calor (efeito joule). Dependendo da dissipação do calor ocorrida no meio circundante haverá uma variação da temperatura do fio em função da condutividade térmica do fluido. A temperatura do recipiente e do fluido é controlada por uma resistência elétrica que envolve o recipiente do líquido e é controlada em função da temperatura programada para as medições.

As medições preliminares da condutividade térmica realizadas para água, propilenoglicol e tolueno mostraram boa concordância com os valores da literatura com um erro máximo de 2,45 % e boa repetibilidade.

Apesar de obter medidas bastante confiáveis, o equipamento apresenta como desvantagem o alto tempo de estabilização da amostra para realizar as medidas com o fluido totalmente em repouso e com a temperatura homogênea em todo fluido, este tempo durou entre 40 e 100 minutos durante os ensaios.

I-4.5 Medidas de distribuição do tamanho médio e morfologia em suspensão O método Dynamic Light Scattering (DLS) foi utilizado para determinar o tamanho médio de MWCNT em suspensão, utilizando um analisador de equipamento Nano ZS da Malvern (Malvern Instrument Inc., Londres, RU). O instrumento é capaz de medir tamanhos de partícula entre 0,3 nm e 10 μm, usando a equação Smolukowhysky que implica um erro desprezível para MWCNT, mesmo para partículas não esféricas (WHITE et al., 2007).

As medições de distribuição de tamanho foram realizadas a 25, 30, 40, 50 e 60 °C para todos os nanofluidos produzidos em cada tempo de sonicação. Com os resultados, é possível correlacionar o tempo da sonicação com o tamanho médio e a condutividade térmica e, ainda, correlacionar a temperatura do meio com o tamanho

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médio do MWCNT. As dimensões médias foram feitas também após os diferentes testes de estabilidade como agitação, aquecimento e aquecimento/agitação.

A morfologia do MWCNT e a caracterização da dispersão foram determinadas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para amostras produzidas com 1 % em peso, utilizando os três métodos de dispersão e para amostras de goma arábica submetidas a testes de aquecimento e agitação.

I-4.6 Medições de densidade

As medições de densidade foram realizadas pelo densímetro de Anton Paar DSA48 para amostras estabilizadas com concentrações de MWCNT e COOH-MWCNT de 0,125; 0,25; 0,5 e 1,0 % em peso a 25; 30; 40 e 50 °C para os nanofluidos produzidos com 40 e 220 minutos de sonicação. Sendo assim, realizadas 96 medidas de densidade, considerando os três nanofluidos A.G-MWCNT; TrX-MWCNt e COOH-MWCNT mais 12 medidas referentes aos fluidos base nas quatro temperaturas indicadas. As amostras são inseridas em um tubo capilar e formato de U, utilizando aproximadamente 5 mililitros em volume por uma seringa. O reduzido volume utilizado nas medidas permite rápida estabilização da temperatura do fluido.

I-4.7 Medições de viscosidade

As medições foram realizadas em um reômetro TA Instruments, modelo AR1500ex com três rampas sequenciais divididas em: 1) Elevação da taxa de cisalhamento de 0 a 1000 s-1 ; 2) Redução da velocidade de cisalhamento de 1000 s-1 a 0 s-1 e 3) Elevação da taxa de cisalhamento de 0 a 1000 s-1. A partir da comparação das curvas 1 e 3 é possível observar se o fluido apresenta tixotropia ou reopexia. O comportamento reológico dos nanofluidos e dos fluidos-base foram medidas em triplicata após 220 minutos de sonicação a 5, 20, e 50 °C, totalizando 108 ensaios para os nanofluidos. Além disso, as medidas foram realizadas para os fluidos-base dos três nanofluidos, totalizando 36 ensaios. Os nanofluidos na concentração de 0,25 e 1,0 tiveram a viscosidade medida após 40 minutos de sonicação, totalizando mais 54 ensaios nas diferentes temperaturas estudadas. Assim, realizou-se um total de 198 medidas para o estudo da reologia dos nanofluidos nesta etapa. Para os fluidos com

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comportamento próximo ao newtoniano, os dados foram modelados pela equação de Arrhenius (HALLETT, 1963).

(1) Onde:

 = Viscosidade aparente [Pa·s] (medido experimentalmente pela razão da taxa de cisalhamento versus a taxa de deformação do fluido a temperatura constante); 0 = Coeficiente da equação [cte] (valor ajustado de diferentes medidas de  em

diferentes temperaturas);

Ea = Energia de ativação [kJ·mol-1] ;

T = Temperatura [K] (a temperatura durante as medições empíricas para construir as curvas de viscosidade);

R = Constante universal dos gases (8,314462 J·K−1·mol−1).

I-4.8 Medições do calor específico

As medições do calor específico dos nanofluidos foram obtidas pelo DSC 2920 TA instruments Modulado, usando calorimetria diferencial de varredura por aquecimento das amostras com uma taxa controlada de 20 °C / minuto, alterando a temperatura de 20 a 80 °C com a diferença de fluxo de calor nas amostras e no material de referência (safira). As medições foram feitas em triplicata para os nanofluidos após 40 e 220 minutos de sonicação e também para os fluidos de base para comparar com os valores da literatura, equivalentes a 36 medidas após 40 minutos de sonicação mais 36 medidas após 220 minutos dos nanofluidos somando 9 medidas para os três fluidos-base, totalizando 99 medidas para a caracterização dos nanofluidos.

I-4.9. Tratamento dos dados e medida das incertezas

O cálculo da incerteza das medidas empíricas foi realizado seguindo a metodologia estatística de propagação de incertezas descrita em NIST (TAYLOR, 1994), que calcula a incerteza expadida a partir dos valores do desvio padrão das medidas empíricas, considerando a incerteza do sensor de temperatura do equipamento,

(35)

a repetibilidade do equipamento, bem como a exatidão e acurácia informadas pelos fabricantes. Um resumo de como foram realizados os cálculos está descrito na Tabela 29 dos anexos.

(36)

Material e métodos Etapa II

E

TAPA

II:

ESTUDO DA SUSPENSÃO DE NANOPARTÍCULAS EM PROPILENOGLICOL E

SOLUÇÃO ANTICONGELANTE

(

COM SELEÇÃO DO NANOFLUIDO PARA ETAPA

III)

II-4.1 Preparação de amostras

As nanopartículas foram dispersas em solução pelo sonicador Prob TT13 no equipamento sonoplus HD 2200, onde os testes preliminares estabeleceram o melhor ajuste para a potência de sonicação em 170 W para 100 mL de fluido para todas as amostras produzidas em propilenoglicol, com um mínimo de 60 minutos de tempo de sonicação com 20 kHz de frequência. O procedimento foi realizado num banho de gelo suportado por um sistema de arrefecimento para manter a temperatura baixa, evitando que o nanofluido atingisse mais do que 35 °C no final do período de sonicação.

A avaliação visual permitiu identificar os nanofluidos que apresentam estabilidade suficiente, indicada pela sedimentação visível durante 48 horas em repouso, para caracterização de suas propriedades em maiores concentrações de partículas. A avaliação da estabilidade também incluiu o acompanhamento do comportamento dos nanofluidos, quando submetidos a tratamentos de agitação e aquecimento, para verificar possíveis variações durante o processo de transferência de calor.

A produção dos nanofluidos em solução anticongelante foi realizada a partir dos nanofluidos produzidos em propilenoglicol puro sonicado em diferentes tempos e posterior dispersão com água na proporção mássica equivalente a 50% m/m com propilenoglicol.

Os testes de agitação e aquecimento das amostras de nanofluido de solução anticongelante de água/propilenoglicol 50 % v/v, mostraram que os nanofluidos com MWCNT e COOH-MWCNT apresentaram formação de aglomerados semelhante a observada nas suspensões aquosas. Desta forma, novas amostras foram produzidas em diferentes pHs, obtendo-se, no pH de 10,0, excelente estabilidade para os nanofludos com COOH-MWCNT, no entanto, os nanofluidos com MWCNT continuaram se aglomerando em todos pHs estudados.

Desta forma a etapa de caracterização dos nanofluidos foi realizada utilizando as nanopartículas de TiO2, Al2O3 ZnO e WMCNT em dispersão de solução anticongelante

ao pH inalterado e com as nanopartículas de COOH-MWCNT em solução anticongelante com pH ajustado para 10,0.

(37)

II-4.2 Caracterização de propriedades dos nanofluidos estabilizados II-4.3 Medições do potencial zeta

Os nanofluidos produzidos na concentração de 0,1 % em peso após 60 minutos de sonicação que não apresentaram sedimentação visível após 48 horas foram caracterizados pela estabilidade, medindo o potencial zeta e o tamanho médio.

II-4.4 Caracterização da estabilidade das propriedades termofísicas

Foram aplicados diferentes tempos de sonicação para cada amostra durante um intervalo de 1 a 25 horas. Após intervalo de tempo de sonicação de uma hora, os nanofluidos foram submetidos aos estudos da estabilidade medidas pela observação do tempo de decantação visível (horas) e a mensuração das propriedades termofísicas: condutividade térmica (k [W/K.m]), tamanho médio (s [nm]); densidade (kg/m3_);

calor específico (cp [J/kg.K]) e viscosidade ( [Pa.s]). Os estudos das propriedades foi realizado também para todos os nanofluidos submetidos aos tempos de sonicação iguais a 5; 10; 15; 20 e 25 horas.

II-4.5 Condutividade Térmica

As medidas de condutividade térmica foram realizadas para os nanofluidos produzidos com propilenoglicol puro nas concentrações de 0,5, 1, 2, 4, 6 e 8 % m/m de nanopartículas. Já os nanofluidos produzidos com solução anticongelante, tiveram suas propriedades medidas nas concentrações de 0,5, 1, 2, 3 e 4 % m/m. A caracterização da condutividade térmica foi realizada nas temperaturas de 30, 40, 50 e 60 °C, após os tempos de sonicação de 1, 5, 10, 15, 20 e 25 horas, segundo o mesmo procedimento descrito na medida de condutividade térmica da Etapa I. Assim, obteve-se uma quantidade de 720 medidas para os nanofluidos com propilenoglicol puro e de 300 medidas para os nanofluidos com solução anticongelante. Além disso, as medidas dos fluidos-base totalizaram 24 medidas, considerando a triplicata das medidas de propilenoglicol e solução anticongelante.

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II-4.6 Medidas de distribuição do tamanho

O método de espalhamento dinâmico de luz (DLS) foi utilizado para determinar o tamanho médio de MWCNT em suspensão, utilizando um analisador de equipamento Nano ZS da Malvern (Sra. Malvern Instrument Inc., Londres, RU). O instrumento é capaz de medir tamanhos de partícula entre 0,3 nm e 10 μm, usando a equação Smolukowhysky que implica um erro desprezível para MWCNT mesmo para partículas não esféricas (WHITE et al., 2007).

As medições de distribuição de tamanho foram realizadas a 25 °C para todos os nanofluidos produzidos com propilenoglicol puro nas concentrações de 0,5, 1, 2, 4, 6 e 8 % m/m de nanopartículas. Já os nanofluidos produzidos com solução anticongelante, tiveram suas propriedades medidas nas concentrações de 0,5, 1, 2, 3, e 4 % m/m. As medidas foram realizadas nos tempos de sonicação 1, 5, 10, 15, 20 e 25 horas para os nanofluidos em propilenoglicol puro e de 1, 5, 15 e 25 horas para os nanofluidos com solução anticongelante, totalizando 540 medidas para os nanofluidos com propilenoglicol puro e 300 medidas para os nanofluidos com solução anticongelante, considerando a triplicata de cada condição.

II-4.7 Medições de densidade

As medições de densidade foram realizadas nas temperaturas de 25, 30, 40, 50 e 60 °C para todos os nanofluidos produzidos com propilenoglicol puro nas concentrações de 0,5, 1, 2, 4, 6 e 8 % m/m de nanopartículas. Já os nanofluidos produzidos com solução anticongelante, tiveram suas propriedades medidas nas concentrações de 0,5, 1, 2, 3 e 4 % m/m. As medidas foram realizadas nos tempos de sonicação de 5 e 25 horas para os nanofluidos em propilenoglicol puro e também para os nanofluidos com solução anticongelante, totalizando 180 medidas para os nanofluidos com propilenoglicol puro e 150 medidas para os nanofluidos com solução anticongelante, considerando a triplicata de cada condição.

II-4.8 Medições de viscosidade

As medições foram realizadas em um reômetro Brookfield R/S-CC+ com cilindro concêntrico CC3-40, com três rampas sequenciais de 0 a 1000 s -1. A partir da comparação das curvas obtidas na primeira e última rampa é possível observar se o