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So Jos dos Campos - SP - Brasil http://www.dem.inpe.br/~rriehl - E-mail: rriehl@dem.inpe.br
II Workshop Nano-Aeroespacial IEAV So Jos dos Campos, 16-17 Outubro, 2006
Avaliao do Desempenho de Sistemas de Controle Trmico
Passivos UtilizandoNanofluidos
Dr. Roger R. Riehl
Grupo de Trmica Controle Trmico Bifsico P&D
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE/DMC/Satelite
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Agradecimentos
Fundao de Amparo a Pesquisa no Estado deSo Paulo (FAPESP)
processos 03/08365-6 e 03/11477-0.
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
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Agenda
Desenvolvimento da Tecnologia de Tubos de Calor Circuitados (Loop Heat Pipes-LHPs) e Tubos de Calor;
Importncia da Tecnologia de LHPs Para Satlites;
Aplicao de Nanofluidos em: LHPs miniatura Tubo de Calor Pulsativo (PHP)
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Desenvolvimento de LHPs
Objetivos: Estabelecer um programa de desenvolvimento de
LHPs e tubos de calor para futuras aplicaes em satlites
Definir todos os processos tecnolgicos Processos de manufatura Investigao em materiais porosos e fluidos de trabalho
Criar um programa de desenvolvimento focado nas necessidades atuais e futuras
Certificar e qualificar LHPs e tubos de calor
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Importncia em LHPs
Crescente necessidade de dissipao de calor Focado na prxima etapa de desenvolvimento
de satlites aps o CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite): Satlites Geo-Estacionrios:
Telecomunicaes Meteorolgicos e de observao
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Modo de Operao LHP
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Histria dos LHPs TCD-LHP
Desempenho confivel Transporte de at 80 W com temperaturas da fonte
quente por volta de 100C com acetona Cmara de compensao desacoplada do evaporador Estrutura porosa primria com ranhuras axiais
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Histria dos LHPs Cont. TCD-LHP2
Desempenho confivel Transporte de at 80 W com temperaturas da fonte
quente por volta de 110C com acetona Cmara de compensao parte integral do evaporador
capilar integrao mais fcil Estrutura porosa primria com ranhuras axiais
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Histria dos LHPs Cont. TCD-LHP3:
Desempenho confivel Transporte de mais de 120 W com temperaturas da fonte
quente por volta de 85C com acetona Cmara de compensao parte integral do evaporador capilar Presena de 2.500 a 2.800 micro-ranhuras por metro Ranhuras circunferenciais no elemento poroso primrio Reduo da temperatura da fonte quente em at 50%
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LHPs Test Bed
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Exemplos de Resultados
TCD-LHP2 TCD-LHP3
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Aplicaes de Nanofluidos rea recente de pesquisa Nanofluidos: substncia pura com adio de
nanopartculas slidas: Normalmente misturadas a uma frao de at 5% da
massa total do fluido Dimetros abaixo de 100 nm
Influncia nas propriedades de transporte: Pode aumentar a condutividade trmica em at 20% Melhora a capacidade de transporte de calor (j provado
em aplicaes com escoamento monofsico-lquido)
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Aplicaes de Nanofluidos Deve ser uma mistura homognea Partculas slidas no podem apresentar sedimentao Nanofluido deve ser quimicamente compatvel Caractersticas de molhabilidade no elemento poroso
deves ser observadas Quais os efeitos nas outras propriedades de transporte
importantes para LHPs? Viscosidade do lquido Densidade do lquido
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Aplicaes de Nanofluidos( )( ) llplp
lplpn kfkkkk
fkkkkk +
++=2
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+=
lpn
ff
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( ) 5.211fln =
Condutividade Trmica
(Modelo de Maxwell)
Densidade
Viscosidade
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Aplicaes de NanofluidosUso de Nanopartculas de Nquel 40 nm
Aumenta condutividade trmica em 10% para f=3,5% e 16,5% para f=5%
Aumenta a densidade do lquido para 3,2% e 4,7%
Aumenta a viscosidade do lquido para 9,3% e 13,7%
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Testes com Nanofluidos em LHP
gua de-ionizada e xido de nquel selecionados como combinao parananofluido
Devido s caractersticas do LHP
Necessrio agitar o nanofluido entre 20 a 24 horas em banho ultra-snico
Necessrio para formas uma nano-camada entre as partculas e o lquido (Yu & Choi, 2003) para favorecer o processo de transferncia de calor
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Testes com Nanofluido em LHP
Testes feitos num LHP miniatura
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Testes com Nanofluido em LHP
Nanofluido de nquel com concentrao de 3,5%Partidas mais longas com o nanofluido
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Resultados e Discusso Temperaturas mais altas do evaporador so
obtidas quando o LHP opera com onanofluido
Partidas mais longas so observadas durante os testes com o nanofluido
Nanopartculas slidas esto atuando contra as foras capilares
Restries adicionais causadas pelas nanopartculasslidas
Influncia direta no desempenho do LHP
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Efeitos no Coeficiente de Transferncia de calor
Quando mais lquido est presente no LHP, maior o coeficiente de transferncia de calor
Quando mais vapor est presente, o coeficiente de transferncia de calor ainda menor do que quando o LHP opera com gua somente
Banho a 5 C Banho a 10 C
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Nanofluido Aplicado em PHP Quantidade de fluido de trabalho no PHP no
muda com a potncia Presena de nanopartculas slidas podem
melhorar o desempenho trmico do PHP Avaliao do desempenho do PHP deve
indicar a melhoria Testes realizados com gua de-ionizada e seu
referente nanofluido (concentrao de 5% em massa)
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Nanofluido Aplicado a PHP gua de-ionizada e xido de
cobre selecionado como combinao de nanofluido
Devido s caractersticas do PHP
Necessrio agitar o nanofluidopor apenas 1,5 horas em banho ultra-snico
Necessrio para formar ananocamada entre as partculas e o lquido (Yu & Choi, 2003)
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Nanofluido Aplicado a PHP
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Nanofluido Aplicado a PHP
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Nanofluido Aplicado a PHP
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Concluses Gerais Desenvolvimento das tecnologias de LHP, PHP e tubos de calor
so importantes para controle trmico passivo de satlites Nanofluidos representam uma linha a ser explorada Desempenho trmico menor observado quando o mini-LHP
operava com nanofluido, devido s maiores restries hidrulicas
Com a quantidade de lquido variando, testes com o nanofluidonum LHP no apresentam grandes melhorias
Num PHP, nanofluido apresenta melhoria no desempenho trmico, pois a quantidade de lquido sempre constante
Temperaturas mais baixas na seo de evaporao so observadas quando testando o PHP com nanofluido