Por Marcelo Silva Monteiro*

O objetivo do presente artigo é analisar a influência da ebulição convectiva de nanorefrigerantes em sistemas de refrigeração por compressão de vapor. A relevância do tema é baseada no fato de sistemas de refrigeração por compressão de vapor serem responsáveis por 15% de toda a energia elétrica consumida mundialmente, o que corresponde a 4,5% do total de gases emitidos relacionados ao efeito estufa (Borlein, 2011). Assim, estudos visando a melhoria na eficiência energética de sistemas de refrigeração é um tema de grande interesse entre os estudiosos na área de refrigeração que vem sendo amplamente estudado.

Nesse sentido, uma das alternativas para melhorar o desempenho de sistemas de refrigeração pode ser a utilização de fluidos refrigerantes com nanopartículas denominadas nanorefrigerantes.

Nanorefrigerantes ou nanofluidos são dispersões, produzidas a partir de processos físicos ou químicos, de partículas sólidas em escala nanométrica (1 a 100 nm) em fluidos comuns denominados fluidos base, possuem melhores propriedades térmicas em relação ao fluido base, principalmente à condutividade térmica. Como ilustrado na Tabela 1 a condutividade térmica dos sólidos é muito superior a dos líquidos e por esta razão a condutividade térmica do nanorefrigerante é superior à do fluido base.

A maioria das pesquisas evidencia que o uso de nanorefrigerantes intensifica a transferência de calor, possibilitando a construção de trocadores de calor com dimensões reduzidas e o aumento no desempenho de sistemas térmicos como o de refrigeração. A razão é que o Coeficiente de Transferência de Calor (CTC) por convecção aumenta devido ao incremento na condutividade térmica com a adição de nanopartículas ao fluido base conforme já explicado.

Na Tabela 2 são apresentados resultados de pesquisas experimentais sobre a ebulição convectiva de nanorefrigerantes e o Coeficiente de Desempenho (COP) de sistemas de refrigeração operando com este fluido. 

As propriedades térmicas e a ebulição convectiva de nanorefrigerantes bem como sua influência em de sistemas de refrigeração são também analisadas através de modelos de previsão disponíveis na literatura. Para os nanorefrigerantes R-134/CuO e R-134a/Al2O3, concentração variada entre 0,1% e 0,5% e temperatura de 275,15K os resultados das análises, através de modelos, em função do incremento na concentração das nanopartículas são:

• A condutividade térmica e viscosidade efetivas aumentaram conforme ilustrado nos Gráficos 1a e 1b, respectivamente. O maior incremento observado na condutividade térmica foi de 218,2% para o R-134a/Al2O3, já o maior aumento na viscosidade foi de 291,2%. Esse aumento é devido à adição de nanopartículas ao fluido base.

• O CTC efetivo de ambos nanorefrigerantes aumentou conforme ilustrado no Gráfico 2a. O maior aumento foi de 41% para o R-134a/Al2O3. Esse aumento é devido a maior condutividade térmica da Al2O3 em relação ao CuO

• A perda de pressão efetiva dos nanorefrigerantes analisados aumentaram conforme ilustrado na Figura 2b. O maior aumento na perda de pressão foi de 12,6% para o nanorefrigerante R-134a/Cuo. Esse aumento é devido a maior massa específica da nanopartícula de Cuo em relação a Al2O3.

Conclui-se que a adição de nanopartículas ao fluido base pode melhorar o desempenho de sistemas de refrigeração, no entanto, é necessário avaliar a concentração de nanopartículas de forma a obter o maior incremento no CTC com o menor acréscimo na perda de pressão, o que efetivamente resultaria na melhoria do COP. Assim melhores resultados são esperados para nanorefrigerantes preparados com partículas de maior condutividade térmica e menor massa específica. Apesar da melhoria no desempenho propiciada por nanorefrigerantes a ocorrência da sedimentação de nanopartículas ainda é um fator que limita a aplicação desse fluido. Esse fenômeno causa a redução do CTC devido ao incremento da resistência térmica, aumenta a perda de pressão e pode provocar obstruções em sistemas de refrigeração. Dessa forma, é necessário o aprimoramento das tecnologias disponíveis para produção de nanorefrigerantes de forma a garantir a estabilidade da solução (evitar a sedimentação).