avaliacao do desempenho de sistemas de controle te

1_________________________________________________________________________________________________Av. dos Astronautas,1.758 - Jd. Granja - 12227-010 - Phone: 55-12-3945-6178 / Fax: 55 12 3945-6226

So Jos dos Campos - SP - Brasil http://www.dem.inpe.br/~rriehl - E-mail: [email protected]

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




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




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)




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




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




Modo de Operao LHP




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




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




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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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

avaliacao do desempenho de sistemas de controle te

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