Termossifão bifásico implementado na envoltória: uma estratégia de resfriamento passivo

Abstract

Tubos de calor e termossifões bifásicos consistem em um tubo evacuado preenchido com fluido de trabalho, dividido em três partes: evaporadora, adiabática e condensadora. O calor aplicado na seção evaporadora evapora o fluido, que absorve calor latente e se move para a seção adiabática. Na seção condensadora, com temperatura mais baixa, o vapor condensa, liberando calor latente e retornando ao estado líquido. Esses dispositivos são caracterizados por sua elevada transferência de calor, baseada na mudança de fase e no princípio de transferência de calor unidirecional, também conhecido como princípio do diodo térmico. Sua integração em edifícios é promissora devido ao seu design simples, alta taxa de transferência de calor e custo acessível. Nesse contexto, os tubos de calor são incorporados à envoltória, aproveitando a energia solar passiva para aquecer o ambiente no inverno, enquanto no verão, são aplicados na fachada sombreada para dissipar calor. Esta pesquisa tem como objetivo contribuir para a compreensão do termossifão bifásico aplicado na envoltória do edifício, com a particularidade de aplicar a seção evaporadora internamente, com contato direto com o ar. Mais especificamente, a investigação visa explorar o potencial de resfriamento passivo do dispositivo em várias condições ambientais, orientações da seção evaporadora (vertical ou horizontal) e posições na envoltória (superfície lateral ou superior). Além disso, a influência de parâmetros como fluido de trabalho, fator de enchimento, geometria e inclinação da seção evaporadora sobre o desempenho térmico do dispositivo foi investigada. Para esse fim, a pesquisa foi dividida em experimentos. O \"Estudo Preliminar do Termossifão\" analisou o comportamento térmico do termossifão simples com diferentes fluidos de trabalho e fator de enchimento, operando em várias condições de temperatura no evaporador. A influência da orientação da seção evaporadora (vertical ou horizontal) no desempenho térmico também foi investigada. No \"Estudo das temperaturas do módulo experimental com serpentina de resfriamento\", um módulo experimental em pequena escala foi desenvolvido, implementando um sistema de resfriamento que simula o comportamento dos termossifões bifásicos. Este experimento visou verificar a distribuição de temperaturas internas no módulo experimental resfriado por termossifões, determinando temperaturas superficiais, internas e externas sujeitas aos termossifões. O último experimento, chamado de \"Estudo do Módulo Experimental Resfriado por meio de Termossifão\", instalou um termossifão em circuito no módulo experimental para avaliar as condições térmicas internas do ambiente assistido por termossifões. Os resultados demonstram que o termossifão aplicado na envoltória possui potencial como sistema passivo de resfriamento, reduzindo a temperatura interna do módulo experimental em até 2,7°C e diminuindo o gradiente de temperatura interno. No Teste 6 do Experimento III, com uma potência dissipada de 20W e um banho térmico a 16°C, a temperatura interna do módulo com o termossifão variou entre 25,7°C e 23,9°C, resultando em um gradiente de 1,8°C. Na Condição Inicial, sem o termossifão, a temperatura variou entre 28,5°C e 25°C, com um gradiente de 3,5°C. Contudo, a aplicação do dispositivo para o resfriamento de edifícios residenciais enfrenta limitações devido à pequena diferença de temperatura entre as seções evaporadora e condensadora, além das baixas temperaturas de operação.

Abstract: Two-phase heat pipes and thermosyphons consist of an evacuated tube filled with a working fluid, divided into three sections: the evaporator, adiabatic, and condenser. The heat applied to the evaporator section causes the fluid to evaporate, absorbing latent heat and moving to the adiabatic section. In the condenser section, where the temperature is lower, the vapor condenses, releasing latent heat and returning to a liquid state. These devices are characterized by their high heat transfer capability, based on phase change and the principle of unidirectional heat transfer, also known as the thermal diode principle. Their integration into buildings is promising due to their simple design, high heat transfer rate, and affordable cost. In this context, heat pipes are incorporated into the building envelope, utilizing passive solar energy to heat the interior during winter, while in summer, they are applied to shaded facades to dissipate heat. This research aims to contribute to the understanding of two-phase thermosyphons applied to building envelopes, with the particularity of applying the evaporator section internally, in direct contact with the air. More specifically, the investigation seeks to explore the passive cooling potential of the device under various environmental conditions, orientations of the evaporator section (vertical or horizontal), and positions within the envelope (lateral or upper surface). Additionally, the influence of parameters such as the working fluid, filling factor, geometry, and inclination of the evaporator section on the device's thermal performance was investigated. To this end, the research was divided into experiments. The \"Preliminary Study of the Thermosyphon\" analyzed the thermal behavior of a simple thermosyphon with different working fluids and filling factors, operating under various temperature conditions in the evaporator. The influence of the orientation of the evaporator section (vertical or horizontal) on thermal performance was also investigated. In the \"Study of Temperatures in the Experimental Module with Cooling Coil,\" a small-scale experimental module was developed, implementing a cooling system that simulates the behavior of two-phase thermosyphons. This experiment aimed to verify the temperature distribution within the experimental module cooled by thermosyphons, determining surface, internal, and external temperatures subject to the thermosyphons. The final experiment, called the \"Study of the Experimental Module Cooled by Thermosyphon,\" installed a thermosyphon circuit in the experimental module to evaluate the internal thermal conditions of the environment assisted by thermosyphons. The results demonstrate that the thermosyphon applied to the envelope has potential as a passive cooling system, reducing the internal temperature of the experimental module by up to 2.7°C and decreasing the internal temperature gradient. In Test 6 of Experiment III, with a dissipated power of 20W and a thermal bath at 16°C, the internal temperature of the module with the thermosyphon ranged between 25.7°C and 23.9°C, resulting in a gradient of 1.8°C. In the Initial Condition, without the thermosyphon, the temperature ranged between 28.5°C and 25°C, with a gradient of 3.5°C. However, the application of the device for cooling residential buildings faces limitations due to the small temperature difference between the evaporator and condenser sections, as well as the low operating temperatures.