Nanofluidos

USO DE NANOFLUIDOS COMO LÍQUIDO DE
ARREFECIMENTO EM PROJETO DE UM
TROCADOR DE CALOR
Unisul - Universidade do Sul de Santa Catarina
Curso: Engenharia química
Disciplina: Fenômenos de transporte de quantidade de energia
Professora: Maria Lúcia Soares Cochlar
Acadêmicos: Fernanda Klug e Vitor Hugo de Campos Luiz

Fonte: http://www.uji.es/com/noticies/2014/10/2q/patent-nanofluids/#.WeDtCUNIQD8.whatsapp

INTRODUÇÃO
• A nanotecnologia vem revolucionando a ciência desde seu surgimento, possibilitando a
criação de tecnologias antes vistas como impossíveis pelo homem.
• Um dos ramos promissores da nanotecnologia é o uso dos nanofluidos – fluidos com
partículas manométricas, cujas propriedades afetam diretamente as características físico
químicas do fluido base no qual estão suspensas.

INTRODUÇÃO
• Alguns dos aspectos de maior interesse na pesquisa sobre nanofluidos:
1. Elevada condutividade térmica quando comparados com fluidos convencionais,
2. Aumento ou diminuição da troca de calor com o aumento da concentração
volumétrica em condições de fase única,
3. Não existência de uma tendência clara no caso da transferência de calor por ebulição.

TROCADORES DE CALOR
• Trocadores de calor são equipamentos que provêm o fluxo de energia térmica entre dois ou
mais fluidos em diferentes temperaturas, (Kakaç et al. (2012)).
• Estes equipamentos são usados em uma ampla variedade de aplicações, que incluem
produção de energia, indústrias de processos, química e de alimentos, eletrônicos,
engenharia ambiental, recuperação de calor desperdiçado, indústria de manufatura; ar
condicionado, refrigeração e aplicações espaciais, (Kakaç et al. (2012)).
• Na maioria das aplicações o tamanho do trocador é um fator chave devido à restrições de
espaço e o aumento na eficiência quando o trocador de calor é diminuído, (Mohammed et al.
(2012)).

NANOFLUIDOS
• Nanofluidos podem ser considerados a próxima geração de líquidos de arrefecimento, pois
oferecem diversas oportunidades de elevar a performance de transferência de calor
comparado aos fluidos em estado puro, (Wang et al. (2007)).
• Sob condições apropriadas de operação, esta elevada performance de transferência de calor
dos nanofluidos, leva à uma redução de introdução de materiais puros e gastos energéticos,
consequentemente, reduzindo o tamanho do trocador de calor, o que leva à diminuição de
custos e aumento da eficiência do sistema, (Khairul et al. (2013)).

INFLUÊNCIA DOS NANOFLUIDOS NA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
• Os estudos sobre os nanofluidos estão focados na caracterização da condutividade térmica
e viscosidade dos nanofluidos.
• A condutividade térmica e viscosidade estão diretamente ligados aos números de Nusselt
(Nu), Prandtl (Pr) e Reynolds (Re), que após obtidos servem para estimar a área total de um
trocador de calor bem como a potência de bombeamento para o mesmo.

INFLUÊNCIA DOS NANOFLUIDOS NA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
• Os nanofluidos possuem condutividade térmica duas ordens de grandeza superiores
quando comparadas aos líquidos.
• A adição de uma pequena fração volumétrica de nanopartículas a fluidos convencionais
pode levar ao aumento significativo da condutividade térmica em relação ao fluido base.
• Uma consequência porém, é a elevação também da viscosidade dinâmica do nanofluido
gerado, o que leva à um aumento da potência de bombeamento dos trocadores de calor

PROPRIEDADES DOS NANOFLUIDOS
Composição da partícula
Nanopartículas provenientes de materiais de elevada condutividade térmica,
quando em fluido base, proporcionam um aumento da condutividade térmica
do nanofluido maior do que aquelas provenientes de materiais de baixa
condutividade.
Tamanho de particula
Uma maneira de se aumentar a condutividade térmica de uma suspensão de
nanopartículas é reduzir o tamanho destas, de forma que se obtem uma maior
área superficial específica.
Forma da partícula
Nanopartículas mais alongadas proporcionam um aumento da condutividade
térmica do nanofluidos quando comparadas com suspensões de nanopartículas
esféricas
Tabela 1: Propriedades dos nanofluidos
Fonte: [Autores, 2017]

PROPRIEDADES DO NANOFLUIDOS
Composição do fluido
base
Quanto menor a condutividade térmica do fluido base, maior a condutividade
térmica do nanofluido.
Concentração
Volumétrica
Concentrações muito elevadas, espera-se que o aumento da condutividade
térmica ocorra mais lentamente, ou até mesmo que ela diminua.
Temperatura
Quanto maior a temperatura, maior o aumento da condutividade térmica dos
nanofluidos.
Tabela 2: Propriedades dos nanofluidos
Fonte: [Autores, 2017]

SÍNTESE DAS NANOPARTÍCULAS
• A obtenção do nanofluido de ouro ocorreu por meio da síntese das nanopartículas de ouro.
• Método de Turkevich et al., (1951):
• Aqueça 20 ml de uma solução de 1,0 mM de cloreto de ouro ácido trihidratado (ácido
cloroaurico - HAuCl4.3H2O) em um Erlenmeyer sob agitação magnética, até iniciar o
processo de ebulição;
• Com a solução em ebulição e sob agitação, adicionar 2,0 ml de uma solução aquosa de
1% de citrato de sódio (Na3C6H5O7.2H2O);
• A solução de nanopartículas se formará à medida que o citrato de sódio reduzir o ouro e
a solução adquirir coloração vermelho rubi, característica do ouro coloidal.

ANÁLISE DAS PROPRIEDADES
TERMOFÍSICAS DOS NANOFLUIDOS
• As propriedades dos nanofluidos podem ser obtidas e analisadas por dois métodos, analítico e
empírico. Porém o método empírico, apresenta maior facilidade de obtenção de dados.

• Densidade:
• Método analítico:
ρnf = 1 − φ ρfb + φρnp
ρnf: Densidade do nanofluido φ: concentração volumétrica das partículas (%)
ρfb: Densidade do fluido base ρnp: Densidade da nanoparticula

• Densidade:
• Método empírico:
• A densidade de um nanofluido pode ser medida por meio de um densímetro.
Figura 1: Densímetro
Fonte: [Ferreira, 2015]

• Viscosidade dinâmica:
μeff
μfb
=
1
1 − 34,78
dnp
6m
Nπρfb
−0,3
φ1,03
μeff: Viscosidade dinâmica φ: Viscosidade dinâmica do fluido base
M: peso molecular N: Numero de Avogadro

• Viscosidade dinâmica:
• Método empírico :
• O viscosímetro, é um equipamento utilizado para medir a viscosidade dos fluidos. Para
líquidos com viscosidades que variam com as condições de fluxo, um instrumento chamado
reômetro é utilizado. Viscosímetros medem somente sob uma condição de fluxo.

• Calor especifico do nanofluido:
Cp,nf =
1 − φ pcp fb
+ φ pcp np
ρnf
μeff: Viscosidade dinâmica φ: Viscosidade dinâmica do fluido base
M: peso molecular N: Numero de Avogadro

• Calor especifico do nanofluido:
• Método empírico :
Cp,quente =
mfrioCpfrio∆Tfrio
mquente∆Tquente
m: massa ∆T: variação de temperatura
frio: fluido frio quente: fluido quente

• Condutividade térmica efetiva do nanofluido:
Keff =
Knp + 2Kfb − 2φ(Kfb − Knp)
Knp + 2Kfb + φ(Kfb − Knp)
+ 5.104βφρfbCp,nf
KT
2ρnpRnp
f(T, φ)
K: 1,3807x10−23JK−1 β: função modeladora do nanofluido
f T, φ : função modeladora Rnp: Raioda nanopartícula

• fator de atrito:
f = 0,602
4m
πμnfDtubo real
Dtubo real
Dexterno da serpentina
0,5 0,0794
Dinternodo do tubo
Dinternodo da serpentina
0,2
φ1,177
D: Diametro m: vazão massica

• Número de Nusselt:
Nu = 3,67
4m
πμnfDtubo real
Dtubo real
Dexterno da serpentina
0,5 0,67
Dinternodo do tubo
Dinternodo da serpentina
0,009
φ1,004

PROJETO DO PROTÓTIPO DO
TROCADOR DE CALOR
Observações
Área interna
(tubo)
Área tubo que forma a serpentina
Área externa
real
Área do casco em consideração a área ocupada
pela serpentina
D tubo real
Diâmetro do tubo que compõe a serpentina
menos espessura
D casco real
Diâmetro do casco levando em consideração o
espaço ocupado pela serpentina
Figura 2: Desenho explicativo sobre as dimensões do trocador de calor

TROCADOR DE CALOR
Efetividade:
0 < ε < 1
C. quente < C. frio
ε =
(Tquente.entrada − Tquente.entrada)
(Tquente.entrada − Tfrio.entrada)
C. frio < C. quente
ε =
(Tfrio.entrada − Tfrio.entrada)
(Tfrio.entrada − Tquente.entrada)

TROCADOR DE CALOR
• Taxa de transferência de calor máxima possível
q = εCmin(Tquente.entrada − Tfrio.entrada)
• Número de unidades de transferência – NUT
NUT = − 1 + Cr
2 −0,5 ln
E − 1
E + 1
E =
2
ε
− (1 + Cr)
1 + Cr
2 0,5
Cr =
Cmax
Cmin

TROCADOR DE CALOR
• Área e comprimento da serpentina
Aréa =
NUT. Cpminimo
U(Coeficiente grobal de transferencia de energia)
L =
A
πDTubo real
passes =
L
πDTubo serpentina
Comprimento = passes. Dtubo

MATERIAIS E MÉTODOS PARA A
CONSTRUÇÃO DO TROCADOR DE CALOR
• Recomendações para construção:
• O trocador de calor deve ser construído em aço inoxidável, devido a sua inercia reativa, o que
evita problemas de alteração da composição do nanofluido, bem como a possibilidade de
danificação do protótipo.
• O mesmo material deve ser utilizado na construção do reservatório do nanofluido.
• O trocador de calor será revestido por um isolante térmico, no caso, fibra de vidro, de forma a
minimizar as perdas de calor para o ambiente.
• O diâmetro do tubo que compõe a serpentina pode ser definido previamente (6,35mm (1/4”), é
um tamanho disponível comercialmente, que se adequa aos requerimentos do projeto)

MATERIAIS E MÉTODOS PARA A
CONSTRUÇÃO DO TROCADOR DE CALOR
Figura 3: Trocador de calor

Esquema representativo da montagem
do sistema do trocador de calor
1: Trocador de calor;
2: Reservatório do nanofluido (com a
resistência de aquecimento representada em
verde);
A: Controlador de temperatura;
B: Relé;
C: Termopar;
D: Bomba;
E: By Pass;
F: Rotâmetro.
As linhas vermelhas representam a trajetória
do fluido quente (nanofluido) e as azuis,
a do fluido frio (água).
Figura 4: Esquema representativo da montagem

• O circuito funciona da seguinte forma:
• O nanofluido fica contido num reservatório cilíndrico, com capacidade de até 1L de fluido e
que tem um termopar dentro.
• Abaixo deste reservatório há uma resistência elétrica, que aquece o nanofluido até a
temperatura estipulada nos cálculos (Tq,e = 40°C), que é mostrada no controlador de
temperatura, acionado pelo relé (quando o fluido começar a 45 esfriar, ele aciona
automaticamente, de forma a manter a temperatura sempre aproximadamente constante).
.

• Após o aquecimento do nanofluido, o mesmo é direcionado à bomba, que contém um By
Pass, para ajuste da vazão. Na saída da bomba há um termopar para aferir a temperatura de
entrada do fluido quente (Tq,e), o nanofluido então é encaminhado ao trocador de calor.
• Depois da transferência de calor, o nanofluido irá para um rotâmetro, para controle de
vazão, e após o mesmo há um termopar para verificar a temperatura de saída do fluido
quente (Tq,s). O fluido frio será proveniente de uma torneira comum, cuja temperatura é
aferida por um termômetro comum.
• Na saída do fluido frio há também um termopar, para aferição da temperatura do mesmo
(Tf,s). O fluido frio é então descartado diretamente em um ralo, enquanto o fluido quente
retorna para o reservatório, fechando o sistema.

Figura 5: Exemplo de montagem do trocador de calor

CONSIDERAÇÕES FINAIS
• O projeto original foi elaborado/realizado pela acadêmica de engenharia mecânica Thaís
Pirez Alves Ferreira da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
• No mesmo ela obteve os seguintes resultados:

Tabela 3: Propriedades Dos Fluidos

Tabela 4: Dados calculados

Tabela 5 – Dimensões Estimadas do Protótipo

• Recomendação para construção do protótipo:
• Revisar modelo matemático utilizado, levando-se em consideração as propriedade termo
físicas medidas do nanofluido a ser utilizado, e não as calculadas, para o cálculo das
dimensões mais apropriadas para o protótipo.
• A entrada e saída do nanofluido no trocador, deve ser colocada em sentido contracorrente,
pois eleva o calor trocado entre os fluidos.
• Posicionar o trocador de calor em posição vertical, de forma a permitir o preenchimento
completo do casco com o fluido frio, sendo a saída deste localizada na parte superior do
protótipo.
• Troca ou desenvolvimento de um rotâmetro mais preciso e adaptado às caraterísticas do
fluido quente analisado, ou seja, com graduação referente à temperatura de saída quente e
sua densidade para a mesma.

• O comportamento de troca de calor do nanofluido de ouro não pode ser plenamente
analisado devido aos erros embutidos no trocador, porém percebeu-se que este fluido teve
capacidade de troca de calor superior ao do etileno glicol.

REFERÊNCIA
• FERREIRA, Thaís Pirez Alves. Projeto e construção de um trocador de calor: uso de nanofluidos (nanopartículas de
ouro em fluido base) como líquido de arrefecimento. 2015. 74 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) -
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2015.
• KAKAÇ, S; LIU, H; PRAMUANJAROENKIJ, A. Heat exchangers: selection, rating and thermal design. 3rd. ed. Boca
Raton, US: CRC Press, 2012. 615 p. ISBN 9781439849903.
• MOHAMMED, H. A; NARREIN, K. Thermal and hydraulic characteristics of nanofluidsflow in a helically coiled tube
heat exchanger. International Communications in Heat andMass Transfer, 2012, v. 39, p. 1375-1383.
• WANG, X-Q; MUJUMDAR, A. S. Heat transfer characteristics of nanofluids: a review. International Journal of Thermal
Sciences, 2007, v. 46, p.1-19.
• KHAIRUL, M. A; SAIDUR, R; RAHMAN, M. M; ALIM, M. A; HOSSAIN, A; ABDIN, Z. Heat transfer and thermodynamic
analyses of a helically coiled heat exchanger using diferente types of nanofluids. International Journal of Heat and
Mass Transfer, 2013, v. 67,p. 398-403.
• TURKEVICH, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal
gold. Discuss. Faraday. Soc. 1951, v. 11, p. 55–75.

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