VIII CONGRESSO BRASILEIRO DE TERMODINÂMICA APLICADA

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1 VIII CONGRESSO BRASILEIRO DE TERMODINÂMICA APLICADA 16 A 20 DE NOVEMBRO DE 2015 ARACAJU - SE ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE NANOFLUIDOS EM COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO: DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS, ESTABILIDADE MECÂNICA E DESEMPENHO TRIBOLÓGICO. Cleiton Rubens Formiga Barbosa, Eduardo H. V. de Sousa, Francisco de A. O. Fontes, Valério F. de Azevedo Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Av. Salgado Filho 3000, Lagoa Nova, , Natal-RN, Brasil cleiton@ufrnet.br,edu_engmec@yahoo.com.br, franciscofontes@uol.com.br, valerio.ifce@gmail.com Estudos comprovam que a adição de uma pequena fração volumétrica de nanopartículas (NPs) em fluidos convencionais, provoca melhorias significativas nas propriedades térmicas destes, mas a baixa estabilidade mecânica apresentada e o aumento do desgaste dos componentes internos têm inviabilizado a sua aplicação. Este trabalho analisa a viscosidade dinâmica, condutividade térmica, estabilidade mecânica e desempenho tribológico de três nanofluidos a base de óleo mineral ISO 68, utilizado em compressores de refrigeração comercial, aditivados respectivamente por NPs de nanotubos de carbono (NTC), óxido de nióbio (Nb 2 O 5 ) e óxido de alumínio (Al 2 O 3 ). Após a aquisição do óleo e das NPs, as amostras foram preparadas na proporção de 0,5 g/l, realizando-se em seguida os processos de desfragmentação em banho ultrasônico e homogeneização em agitador rotativo magnético. A viscosidade dinâmica e condutividade térmica foram mensuradas através de ensaios em banho térmico com auxílio de um reômetro e um condutivímetro respectivamente. A estabilidade mecânica foi acompanhada em ensaio visual por 168 horas e, em seguida, analisada através do método do potencial zeta e o desempenho tribológico foi verificado através de ensaio de lubricidade em bancada de alta frequência. Os resultados demonstraram que os nanofluidos compostos por óxidos não possuem boa estabilidade, enquanto que as soluções que contêm NPs de NTC apresentam resultados satisfatórios para temperaturas acima de 30ºC, se mantêm estáveis sem a presença de dispersantes por longo período e melhoram o desempenho tribológico do óleo puro. Assim, a utilização destes na lubrificação de compressores de refrigeração torna-se viável. Palavras-chave: nanofluidos, nanopartículas, condutividade térmica, viscosidade dinâmica, desempenho tribológico.

2 1. Introdução Fluidos convencionais utilizados na refrigeração como água, etileno glicol e óleo mineral desempenham um importante papel em sistemas térmicos, porém, a necessidade de compactação dos equipamentos despertou o interesse por soluções que aprimorem a transferência de calor, sem comprometer o desempenho dinâmico desses sistemas. Assim, foram iniciados estudos sobre a adição de partículas sólidas aos fluidos bases, a princípio em microescala e observou-se que os compostos gerados contribuíam na melhoria do desempenho das propriedades térmicas, porém geravam problemas como entupimentos de dutos, aumento do atrito e perda de carga. Posteriormente, os esforços se concentraram na adição de partículas nanométricas, menores que as anteriores em três ordens de grandezas. As investigações sobre o comportamento térmico dos nanofluidos convergem para quatro seguimentos distintos, sendo eles: melhoria da condutividade térmica, transferência de calor por convecção, transferência de calor com mudança de fase e redução do desgaste (atrito). A adição de NPs ao fluido base tem a tendência predominante de aumentar a viscosidade dinâmica do composto, mas esse resultado sofre considerável influência da temperatura do meio e o seu valor tem expressiva redução para temperaturas elevadas. O conhecimento da viscosidade do composto é fundamental para o estudo do efeito tribológico, para a taxa de transferência de calor e também para a queda de pressão nos sistemas térmicos. A estabilidade é um importante fator para a comprovação da viabilidade do nanofluido. Além de prejuízos relacionados com a mensuração dos resultados, esta característica é muito importante para a determinação da intensidade térmica do composto. Assim, frequentemente recorre-se a adição de dispersantes que tem como finalidade dificultar a sedimentação das NPs. Em sistemas de refrigeração, componentes mecânicos do compressor possuem movimentos relativos que geram incrementos nos níveis de atrito, implicando na perda de material por desgaste. Estudos procuram meios de lubrificação que reduzam o contato direto entre essas peças e consequentemente aumentem a confiabilidade e durabilidade desses equipamentos. Melhorias significativas nos resultados da condutividade térmica em nanofluidos à base de óleos são adquiridos ao se utilizar NPs metálicas de cobre (Cu), alumínio (Al) e prata (Ag), mas outros materiais não metálicos também apresentam consideráveis desempenhos nesta utilização, destacando-se principalmente, NPs de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), óxido de nióbio (Nb 2 O 5 ) e nanotubos de carbono (NTC). Considerando que a condutividade térmica dos nanofluidos aumenta a habilidade destas substâncias proporcionarem uma maior troca de calor. Incrementos de materiais sólidos nos fluidos podem melhorar consideravelmente o desempenho nas referidas propriedades. Por outro lado, compostos bifásicos tendem a se separar, o que faz da estabilidade mecânica um importante fator para a comprovação da viabilidade do nanofluido. Segundo Lotfizadeh e Matsoukas (2015), a forma e a estrutura sólida das NPs são importantes para o aumento da condutividade térmica. Esses autores relatam que obtiveram melhores resultados ao utilizarem NPs com superfícies alongadas.

3 Para Yu et al (2008) um nanofluido não é apenas uma simples mistura líquido-sólido. A sua síntese deve reunir condições como: suspensões uniformes, estáveis e duráveis e com baixa aglomeração de partículas, sendo utilizados processos físicos e químicos para a sua obtenção. Eles observaram alguns compostos que apresentaram aumento de transferência de calor na faixa de 15 e 40%. Duanghthongsuk e Wongwises (2009) descobriram que nanofluidos com NPs de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) em água têm melhor condutividade térmica quando concentra-se maior número de partículas, porém esta propriedade é ligeiramente reduzida com o aumento da temperatura. Chen et al (2007) observaram um comportamento newtoniano em nanofluidos de óxido de titânio (TiO 2 ) em etileno glicol. Este mesmo tipo de comportamento também foi observado em um nanofluido de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) em água por Chandrasekar et al (2010). Lotfizadeh e Matsoukas (2015) apresentaram o seguinte modelo teórico para a determinação da condutividade térmica de uma mistura de dois componentes quando a razão entre a condutividade das duas fases é superior a 100: K = K (1) Nesta expressão,, e, representam respectivamente a condutividade térmica do nanofluido, da nanopartícula e do fluido base respectivamente, enquanto que Φ representa a fração volumétrica e n o fator de forma da partícula, que é definido por n = 3/ψ, onde ψ é a razão entre a área superficial de uma esfera (com o mesmo volume que o da partícula) e a área superficial da partícula, ou seja, a esfericidade da partícula. Timofeeva et al (2011) comentam que normalmente a viscosidade aumenta à medida que o tamanho das partículas diminui e quando a fração de volume aumenta, mesmo se, por vezes, um comportamento diferente é observado. A proposta deste trabalho é estudar a viabilidade da utilização de nanofluidos gerados a partir de NPs de (Al 2 O 3 ), (Nb 2 O 5 ) e (NTC) em óleos minerais ISO 68 utilizados em compressores de refrigeração. 2. Preparação dos Nanofluidos Os materiais utilizados nas composições têm as seguintes características: Fluido base: Óleo mineral Capella ISO 68 da Texaco, constituído de mineral naftênico, especialmente tratado para a lubrificação de compressores de refrigeração de sistemas não selados, que utilizam como gás refrigerante freon ou amônia. Material de adição: NPs de nanotubos de carbono (NTC), óxido de nióbio (Nb2O5) e óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), adquiridas da Nanostructured & Amorphous Materiais Inc. placas. Os óxidos solicitados têm estrutura esférica e possuem 50 nm de diâmetro e os nanotubos possuem comprimento de 20 nm e diâmetro de 50 nm. A preparação dos nanofluidos foi realizada obedecendo às seguintes etapas:

4 I. Pesagem das NPs - Após calcular a quantidade da fração de NP que deverá ser adicionada ao óleo, realiza-se a pesagem em uma balança de precisão de 0,001 g. II. III. IV. Adição das NPs Gradua-se 500 ml do óleo em um becker de vidro de 600 ml e adiciona-se as NPs, a seguir com o auxílio de uma vareta de vidro, mistura-se manualmente a composição. Desfragmentação Coloca-se o composto bifásico em ensaio ultrasônico, que provoca vibrações na mistura com a finalidade de reduzir possíveis aglomerações de NPs. Recomenda-se que este ensaio seja realizado em temperatura ambiente por um período de 24 horas. Homogeneização Para finalizar a fase de preparação, utiliza-se um equipamento que provoca a agitação nas composições por meio de uma pequena barra movida por um campo magnético rotativo. Recomenda-se que os nanofluidos sejam agitados por 24 h a 450 RPM. 3. Procedimentos Experimentais Os resultados que embasaram a análise deste trabalho são oriundos dos seguintes procedimentos experimentais. 3.1 Viscosidade Dinâmica Ensaio realizado através de um reômetro tipo Brookfield Digital Rheometer Model DV-III+ interligado a um PC. Este experimento ocorreu nas três amostras preparadas e no óleo ISO 68 puro para fins de comparações futuras. As medições aconteceram no intervalo entre 20 C a 60 C com incrementos de 5 C e uma rotação fixada em 20 RPM. Cada medição foi repetida três vezes, assumindo-se seu valor médio. 3.2 Condutividade Térmica Para a obtenção da condutividade térmica adicionou-se o equipamento KD2 Pro Thermal Properties Analyzer ao conjunto do ensaio anterior. O condutivímetro utilizado baseia-se no método do fio quente transiente. A figura 1 apresenta o conjunto de equipamentos utilizados nos experimentos que determinaram as propriedades termofísicas em análises neste trabalho. A metodologia utilizada Figura 1: Conjunto PC, banho térmico, reômetro e condutivímetro.

5 3.3 Estabilidade Mecânica Após análise das propriedades térmicas, os recipientes são hermeticamente fechados e armazenados em superfície lisa à temperatura ambiente para serem monitorados periodicamente por inspeção visual para a verificação da sua estabilidade mecânica. A análise visual deverá ser comprovada experimentalmente através do método de potencial zeta, com ensaios para verificação da quantidade de aglomeração de NPs através de sinais de varreduras e do grau de estabilidade ou instabilidade dos nanofluidos. 3.4 Desempenho Tribologico As amostras estáveis foram analisadas tribologicamente em ensaio de lubricidade em bancada de alta frequência (High Frequency Reciprocating Rig HFRR). Neste ensaio o desempenho do fluido é verificado através da espessura do filme, coeficiente de atrito e área média de desgaste do corpo de prova. O referido ensaio consiste no deslizamento de um corpo-de-prova esférico sobre uma superfície plana fixa, onde as características geométricas e físicas destes, são definidas pelas normas ASTM D e ISO :1997. O deslizamento se dá de maneira alternada com amplitudes de 1000 µm e frequência de 20 HZ. No experimento, o corpo esférico e um disco plano são mergulhados em uma cuba contendo o lubrificante em análise. Para este ensaio, o conjunto foi mantido a aproximadamente 50º C, mas a temperatura externa ao equipamento foi controlada em 25ºC. A figura 2 apresenta os equipamentos utilizados neste experimento. 4. Resultados e discursões 4.1 ViscosidadeDinâmica Figura 2: Teste de lubricidade HFRR, microscópio e P.C. Os experimentos realizados para obtenção da viscosidade dinâmica do óleo ISO 68 puro e das amostras de nanofluidos proporcionaram resultados semelhantes, principalmente para aplicações em temperaturas a partir de 35ºC. Consideramos esse resultado satisfatório, pois a queda de viscosidade gera problemas tribológicos nos componentes dos sistemas térmicos e uma maior viscosidade pode causar baixa eficiência nos mesmos. A figura 3 apresenta os valores encontrados nestes ensaios.

6 Figura 3: Viscosidade Dinâmica (mpa.s) em função da Temperatura em (ºC) 4.2 Condutividade Térmica Os experimentos realizados para obtenção da condutividade térmica apresentaram as seguintes respostas em (w/mk). Figura 4: Condutividade Térmica (w/mk) em função da Temperatura em (ºC) Na proporção de 0,5 g/l, as NP estiveram resultados opostos. Os nanofluidos de óxidos de nióbio e de alumínio mostraram melhor desempenho para temperaturas baixas, enquanto que a amostra de NTC obteve melhor resultado para temperaturas acima de 30ºC. 4.3 Estabilidade Mecânica A princípio, a estabilidade mecânica das amostras foi acompanhada visualmente e os dados registros na tabela da tabela 1. Tabela 1: Acompanhamento da estabilidade das NPs. Partículas Óleo Desfragmentação Agitação Sedimentação NTC 0,5g/l ISO h 24 h ---- Nb2O5 0,5g/l ISO h 24 h 72 h Al2O3 0,5g/l ISO h 24 h 72 h Observou-se que as NPs de Nb 2 O 5 e Al 2 O 3 sedimentaram em um curto espaço de tempo, sendo inviáveis suas utilizações em compressores de refrigeração. Após a análise visual, foram realizados ensaios pelo método de potencial zeta para a verificação do nível de aglomeração de cada composto ea constatação da estabilidade ou instabilidade do nanofluido. Os níveis de aglomeração das NPs dos nanofluidos, NTC em óleo e Al 2 O 3 em óleo são apresentados nas figuras 5(a) e 5(b) respectivamente.

7 Figura 5(a): Níveis de aglomeração de NPs do nanofluido NTC em óleo. Em dez varreduras realizadas os valores encontrados para diâmetro médio máximo e mínimo são respectivamente: 843,1 nm e 59,6 nm. Figura 5(b): Níveis de aglomeração de NPs do nanofluido Al 2 O 3 em óleo. Em dez varreduras realizadas os valores encontrados para diâmetro médio máximo e mínimo são respectivamente: ,0 nm e 9.489,5 nm. Além de verificar o nível de aglomeração o ensaio pelo método potencial zeta apresenta através o nível de dispersão das partículas. A figuras 6(a) e 6(b) mostram a dispersão das NPs dos nanofluidos, NTC em óleo e Al 2 O 3 em óleo respectivamente. Figura 6(a): Níveis de dispersão de NPs do nanofluido NTC em óleo. Percebemos na figura 6(a) que as NPs de NTC se dispersam da linha central que representa a faixa de maior instabilidade do nanofluido. Figura 6(b): Níveis de dispersão de NPs do nanofluido Al 2 O 3 em óleo. Percebemos na figura 6(b) que as NPs de Al 2 O 3 se aproximam da linha central que representa a faixa de maior instabilidade do nanofluido.

8 Verificamos nos ensaios realizados que a amostra com NTC demonstra estabilidade, apresentando como diâmetro máximo o valor de 840,10 nm que corresponde a uma aglomeração máxima de 14,14 NPs, enquanto que o nanofluido de Al 2 O 3 em óleo demonstra instabilidade, apresentando como diâmetro máximo o valor de nm. O resultado indica que acontecem aglomerações no composto. 4.4 Teste de Lubricidade O desempenho tribológico do composto formado por NPs de NTC foi comparado ao do óleo puro. Os parâmetros utilizados nos dois ensaios foram: T= 50 C, P = 1000 g e f = 20 HZ. Cada ensaio durou 60 minutos, sendo repetido uma vez para efeitos de validação conforme normas ASTM D e ISO :1997. As figuras 7(a) e 7(b) apresentam respectivamente o desempenho tribológico da amostra do óleo ISO 68 puro e do nanofluido NTC em óleo. (a) (b) Figura 7: (a) Ensaio HFRR para o óleo mineral puro ISO 68, (b) Ensaio HFRR para o nofluido de NTC em óleo. Nota-se que o nanofluido apresentou melhor desempenho em relação aos quatro principais parâmetros de lubricidade verificado na tabela 2. Tabela 2: Parâmetros de lubricidade dos óleos analisados. Espessura do Coeficiente Desgaste Desgaste Desgaste filme (%) de atrito em x (µm) em y (µm) médio (µm) óleo mineral ISO , óleo mineral ISO 68 + NPs de NTC 57 0, Para fins de comparação, apresentaremos na figura a seguir as imagens microscópicas do corpo de prova esférico após respectivos ensaios. (a) (b) Figura 8: Imagens microscópicas dos corpos de prova esféricos ensaiados com óleo mineral puro ISO 68(a) e nanofluido de NTC em óleo. (b).

9 O nanofluido NTC em óleo apresenta melhor desempenho que o óleo ISO 68 em relação a espessura do filme lubrificante, coeficiente de atrito e desgaste médio. 5. Conclusões Ao adicionarmos 0,5 g/l de NTC em óleo mineral ISO 68, mantemos os mesmos valores de viscosidade dinâmica em relação ao óleo puro e percebemos tendências de melhorias na condutividade térmica do lubrificante, principalmente para temperaturas acima de 30ºC, que é a faixa encontrada em óleos utilizados em sistemas de refrigeração. Na proporção de 0,5 g/l o referido composto se mantém estável, não necessitando auxílio de nenhum tipo de tensoativo para manter sua homogeneidade obtida na fase de preparação. Em relação ao desempenho tribológico verificou-se uma melhor performance em relação à espessura do filme, coeficiente de atrito e desgaste médio. Assim, concluímos que a adição de NPs de NTC em óleo mineral ISO 68, tende a melhorar a condutividade térmica e o desempenho tribológico do lubrificante em temperaturas superiores a 30 C, não altera a viscosidade dinâmica do óleo puro e obtém significativa estabilidade. Referências Bibliográficas Chandrasekar, M., Suresh, S., Chandra Bose, A., Experimental investigations and determination of thermal conductivity and viscosity of Al 2 O 3 /water nanofluid. Exp. Therm. Fluid Sci. 34, Chen, H., Ding, Y., He, Y., Tan, C., Rheological behavior of ethylene glycol based titanio nanofluids. Chem. Phys. Lett. 444, Duangthongsuk, W., Wongwises, S., Effect of thermophysical properties models on the predicting of the convective heat transfer coefficient for low concentration nanofluid. Int. Commun. Heat Mass 35, Lotfizadeh, S. Matsoukas, T Effect of nanostructure on thermal conductivity of nanofluids. Jornal of nanomaterials. Pastoriza-Gallego, M.J., Casanova, C., Legido, J.L., Pineiro, M.M., CuO in water nanofluid: influence of particle size and polydispersity on volumetric behavior and viscosity. Fluid Phase Equil. 300, Timofeeva, E.V., Yu, W., France, D.M., Singh, D., Routbort, J.L., Nanofluids for heat transfer: an engineering approach. Nanoscale Res. Lett. 6, 182. Yu, W., France, D.M., Routbort, J.L., Choi, S.U.S., Review and comparison of nanofluid thermal conductivity and heat transfer enhancements. Heat Tran. Eng. 29, Zhu, D., Li, X., Wang, N., Wang, X., Gao, J., Li, H., Dispersion behavior and thermal conductivity characteristics of Al 2 O 3 and H 2 O nanofluids. Curr. Appl. Phys. 9,