Fabricação e análise térmica experimental de um trocador de calor de compósitos híbridos

Abstract

Pesquisas recentes têm se dedicado ao desenvolvimento de materiais não metálicos para construção de trocadores de calor. Os materiais poliméricos, em particular, apresentam diversas vantagens para construção de trocadores de calor, como resistência à corrosão, baixa densidade e baixo custo. Porém, a principal desvantagem dos polímeros é possuir baixa condutividade térmica quando comparados aos metais. Dessa forma, grande parte dos esforços de pesquisa tem sido direcionados a buscar meios para aumentar a condutividade térmica do polímero por meio da inserção de materiais metálicos ou materiais de alta condutividade térmica à base de carbono, como, por exemplo, fibras de carbono, negro de fumo, grafite, nanotubos de carbono, grafeno, entre outros, a fim de formar um material compósito com condutividade térmica mais elevada que a da matriz polimérica. O interesse da pesquisa conduzida nesta tese reside na viabilização de um trocador de calor fabricado a partir de um material compósito para utilização em aplicações de pequenas taxas de transferência de calor. O objetivo do trabalho foi a concepção, fabricação e avaliação do desempenho térmico de trocadores de calor poliméricos contendo manta de fibra de carbono e materiais particulados (aditivo) para aumento da condutividade térmica. Três trocadores de calor foram fabricados e testados em um calorímetro de túnel de vento, com a seguinte composição: 50% de manta de fibra de carbono, 50% de resina epóxi (sem aditivo); 50% de manta de fibra de carbono, 49,5% de resina epóxi e 0,5% de nanoplaquetas de carbono; 50% de manta de fibra de carbono, 49,5% de resina epóxi e 0,5% de grafite expandido. O fluido de trabalho utilizado nos testes para a determinação da condutância térmica do trocador de calor polimérico foi a água.Os resultados mostraram que o trocador de calor sem aditivo obteve um desempenho térmico ligeiramente melhor, seguido pelo trocador com nanoplaquetas de carbono e o trocador com grafite expandido. Tal conclusão foi corroborada por uma análise microestrutural dos materiais compósitos por micrografia MEV, que evidenciou uma maior presença de vazios nos trocadores de calor com aditivos. Análises termográficas, realizadas simultaneamente aos testes no calorímetro, permitiram calcular a eficiência global de superfície, que também evidenciou um ligeiramente melhor desempenho térmico do trocador de calor sem aditivo.<br>

Abstract : Recently, several research initiatives have been directed to the development of nonmetallic materials for the construction of heat exchangers. Polymeric materials, in particular, have several advantages, such as corrosion resistance, low density and low cost. However, the main disadvantage of polymers is their low thermal conductivity compared to metals. Thus, much of the research effort has been on finding ways to increase a thermal conductivity of polymers by inserting metallic or of high thermal conductivity carbonaceous fillers, such as carbon fibers, carbon black, graphite, carbon nanotubes, graphene, etc., so as to produce a composite material with a higher thermal conductivity than that of the polymer matrix. The motivation for the research conducted in this thesis lies in the possibility of using polymer composite heat exchangers in applications involving low heat transfer rates. The aim of the work was to design, manufacture and evaluate the thermal performance of polymeric heat exchangers containing carbon fiber and composite materials (fillers) to increase thermal conductivity. Three heat exchangers were fabricated and tested on a wind tunnel calorimeter, with the following composition: 50% carbon fiber fabric, 50% epoxy resin (no fillers); 50% carbon fiber fabric, 49.5% epoxy resin and 0.5% graphene nanoplatelets; 50% carbon fiber fabric, 49.5% epoxy resin and 0.5% expanded graphite. Water was used as the working fluid in the experimental tests carried out to determine the thermal conductance of the heat exchangers. The calorimeter results show that the heat exchanger without fillers obtained a slightly better thermal performance, followed by the graphene nanoplatelet exchanger and by the expanded graphite exchanger. This conclusion was corroborated by a microstructural analysis of composite materials by SEM (scaning electronic microscopy) micrographs, which showed a greater number of voids and heat exchangers with fillers. Infrared imaging analyses, performed simultaneously to the calorimeter tests, allowed the calculation of the overall surface efficiency, which also revealed a slightly better thermal performance of the heat exchanger without fillers.