Um novo tipo de trocador de calor leve e impresso em 3D com um design de arquitetura de giroide repetitivo semelhante a um labirinto é mais compacto e eficiente do que seus equivalentes convencionais, dizem seus desenvolvedores. Uma equipe liderada por engenheiros da Universidade de Glasgow desenvolveu o sistema, que explora as propriedades únicas das superfícies em microescala para criar um trocador de calor de alto desempenho.
Os trocadores de calor, dispositivos que transferem calor entre fluidos sem misturá-los, possuem uma ampla gama de aplicações práticas. Trocadores de calor que transferem energia térmica entre fluidos são usados em sistemas que incluem refrigeração, células de combustível e os tipos de motores de combustão interna usados em carros e aeronaves.
Em um novo artigo publicado na Applied Thermal Engineering, os pesquisadores descrevem como desenvolveram e construíram o protótipo do sistema, que estimam ser 50% mais eficaz do que um trocador de calor convencional líder de mercado, apesar de ter um décimo de seu tamanho.
O sistema deve sua eficácia ao projeto de superfícies arquitetadas sobre as quais os líquidos fluem através do trocador. O trocador em forma de cubo puxa a água através de um núcleo, cravejado de pequenos orifícios dispostos em uma configuração de giroide.
Giróides fazem parte de um grupo de projetos celulares que são construídos usando geometrias de superfície mínimas triplamente periódicas, com superfícies periódicas não auto-intersecionadas e altamente simétricas.
A equipe optou por usar uma arquitetura de giroide de repetição para seu trocador de calor porque a eficácia da troca de calor está ligada à sua área de superfície – quanto maior a área de superfície, mais oportunidades os fluidos têm de passar sua energia térmica de um para o outro. Isso significa que objetos com grandes áreas de superfície podem resfriar ou aquecer fluidos mais rapidamente do que aqueles com áreas de superfície mais limitadas.
O projeto de giroide em microescala da equipe, que eles fabricaram a partir de um simples fotopolímero usando uma sofisticada impressora 3D, projeta uma grande área de superfície em um cubo compacto medindo 32,2 mm de cada lado e pesando apenas oito gramas.
Ao puxar água por esse labirinto denso, os pesquisadores conseguiram demonstrar mudanças de temperatura entre 10 e 20ºC quando a água fluía pelo trocador de calor a uma taxa entre 100 e 270 milímetros por minuto.
A equipe mediu o coeficiente de transferência de calor de seu novo trocador – a medida de sua eficácia na transferência de calor entre o fluido e suas superfícies – para que pudessem determinar como ele se comportava em uma série de trocadores de calor convencionais de tamanhos diferentes feitos de materiais como polímeros e metais.
Eles descobriram que a eficácia de seu novo trocador de calor era 50% maior do que um trocador de calor de contrafluxo termodinamicamente equivalente e mais eficiente, embora seu protótipo recém-desenvolvido tivesse apenas 10% de seu tamanho.
A pesquisa foi liderada pelo Dr. Shanmugam Kumar da Escola de Engenharia James Watt da Universidade de Glasgow, juntamente com colegas da Universidade de Swansea e da Universidade Khalifa de Ciência e Tecnologia em Abu Dhabi.
Dr. Kumar disse: “Estamos trabalhando para encontrar novas aplicações para este tipo de treliças impressas em 3D micro-arquitetadas há vários anos. Já demonstramos como eles podem ser usados para propósitos, incluindo baterias recicláveis de alto desempenho e o desenvolvimento de futuros dispositivos médicos ‘inteligentes’, como próteses e aparelhos para as costas”.
“Este último artigo mostra que podemos usar essas arquiteturas de treliça giroide para criar um material com uma área de superfície notavelmente grande em relação ao volume que se presta muito bem à troca de calor.”
“Ser capaz de desenvolver trocadores de calor menores, mais leves e mais eficientes pode nos ajudar a desenvolver sistemas de refrigeração que exigem menos energia, por exemplo, ou motores de alto desempenho que podem ser resfriados de forma mais eficaz. Estamos ansiosos para desenvolver essa tecnologia ainda mais com pesquisas futuras.” Para saber mais sobre o trocador impresso em 3D acesse o site.
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