Tese de mestrado premiada investiga formas de melhora no desempenho de trocadores de calor e sistemas térmicos

Entre as grandes áreas de interesse mundial que as engenharias podem dar sua importante contribuição, o setor de gerenciamento de energia térmica está presente. As inovações nesse segmento são pensadas continuamente, e, num estudo de mestrado da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP), o olhar científico foi focado em formas de se melhorar o desempenho de trocadores de calor e de sistemas térmicos. O tema, que tem relação direta com o nosso cotidiano, seja em razão da operação de condicionadores de ar ou mesmo do funcionamento de refrigeradores domésticos, foi reconhecido e premiado como a melhor Dissertação de Mestrado no Prêmio ABCM 2023, concedido pela Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas (ABCM) pelas importantes contribuições acadêmicas nessa área do conhecimento.

O trabalho, intitulado “Investigação do fluxo crítico de calor e da ebulição em filme aplicada a trocadores de calor compactos em alta temperatura”, é de autoria de Thalles Coimbra Borba Roldão, sob a orientação de Cristiano Bigonha Tibiriçá, professor do departamento de Engenharia Mecânica da EESC.

“Essa pesquisa foi focada no estudo de escoamento interno em tubulações sob condições de alto desempenho, ou seja, elevados fluxos de calor, vazões e temperaturas. Nestas condições, o escoamento pode ser tornar bifásico, ocorrendo o fenômeno de ebulição convectiva, no qual o fluido evapora, escoando tanto na fase líquida como na fase vapor. Este é um fenômeno fisicamente complexo, mas que permite aumentar drasticamente o desempenho de trocadores de calor e sistemas térmicos”, destaca Tibiriçá.

“No nosso trabalho, estudamos esse fenômeno em microcanais, que são tubos com diâmetro pequeno, entre 50 e 3.000 micrômetros tipicamente. Devido a sua grande relevância, uma vez que muitas áreas se beneficiam ou podem se beneficiar desse tema de estudo, como refrigeração e radiadores automotivos, o tema se encontra em ascendente investigação pela comunidade científica”, explica o docente da EESC.

O professor e coordenador do estudo também destacou que a melhor compreensão do fluxo crítico de calor pode auxiliar a geração e utilização de energia elétrica limpa, a partir do resfriamento de reatores nucleares, do aproveitamento de rejeitos térmicos que são frequentemente desperdiçados em processos industriais, do resfriamento de carregadores ultrarrápidos de baterias de carros elétricos e do aumento da eficiência de micro termelétricas.

“Também buscamos comparar o desempenho de um fluido refrigerante novo, ecologicamente correto, com um fluido refrigerante mais antigo que possui maior impacto ambiental. O fluido mais novo, além de ter impacto ambiental significativamente menor, também teve melhor desempenho nos fenômenos de interesse estudados, o que nos mostra um caminho ecologicamente importante”.

Ampliação da base de dados

 Uma das principais contribuições da pesquisa foi a obtenção de bases de dados experimentais extensas sobre o fenômeno estudado, em faixas pouco exploradas na literatura atual, ajudando a expandir a disponibilidade de informações sobre o tema para a comunidade científica nacional e internacional.

“Entre nossos dados, encontram-se valores recordes de coeficiente de transferência de calor e fluxo de calor em microcanal considerando os fluidos analisados. Além disso, foram obtidos resultados inéditos de transferência de calor para um novo fluido refrigerante de baixo impacto ambiental. Trata-se de uma importante contribuição na área de transferência de calor em escoamentos bifásicos em microcanais, um nicho de pesquisa que vem sendo largamente estudado nas últimas décadas e que já se encontra inserido em alguns dos equipamentos modernos que utilizamos, como nos aparelhos de ar-condicionado, radiadores automotivos, além de outras aplicações potenciais relevantes que muitas vezes não vemos diretamente, como na indústria de computação e TI, atuando no resfriamento de componentes eletrônicos”, ressalta Tibiriçá.

É justamente pelo tamanho da contribuição que a dissertação de mestrado recebeu o Prêmio ABCM 2023, entre os 12 que concorriam na mesma categoria. “Esse prêmio é uma grande confirmação de que todo o tempo e trabalho empenhados na pesquisa realmente levaram a resultados de qualidade, o que é gratificante, além de ser um incentivo para a continuidade do trabalho que desempenhamos”, celebra o docente da EESC.

Essa continuidade se dará com o aprimoramento da bancada experimental para realizar estudos semelhantes com fluidos adicionais, “entre eles o dióxido de carbono, que é uma tendência de pesquisa atual. O aprimoramento da bancada representará a obtenção de um aparato experimental com poucos equivalentes no Brasil e no mundo”, revela Tibiriçá. “Para isso, contaremos com todo o apoio que a EESC tradicionalmente aporta para a produção científica, de modo a transformar conhecimento em inovações e soluções que cheguem a toda sociedade”, conclui.