APLICAÇÃO DE NANOFLUIDOS EM SISTEMAS SECUNDÁRIOS DE REFRIGERAÇÃO

É estudada a aplicação de nanofluidos como fluidos secundários em sistemas de refrigeração por compressão de vapor mediante o desenvolvimento de um modelo termodinâmico de parâmetros concentrados. Quando um nanofluido é usado como fluido térmico, sua condutividade e viscosidade aumentam com respeito às propriedades do fluido base correspondente. Como conseqüência, a irreversibilidade por transferência calor diminui enquanto que a por atrito aumenta. É aplicado o método dos coeficientes estruturais para determinar o efeito da concentração de nanopartículas no fluido secundário na irreversibilidade global do sistema, levando em consideração as inter-relações da estrutura analisada. Para estimar os limites práticos da redução da irreversibilidade térmica com o uso de nanofluidos é proposta uma otimização do custo operacional, a partir de análise termoeconômica, considerando a aplicação do novo fluido secundário no sistema, sem nenhuma outra modificação no mesmo. A partir do modelo proposto, verificado com dados experimentais do ciclo de refrigeração, simulou-se um caso particular de operação. Mediante uma otimização parcial, foi determinado o ponto de mínimo custo operacional, com a simples variação da concentração volumétrica de nanopartículas. Os resultados das otimizações fornecem diferentes valores da concentração ótima para diferentes cenários, caracterizados por vários comprimentos equivalentes do circuito secundário e diversos tempos de operação anual. Adicionalmente, o trabalho inclui um estudo sobre a aplicação de nanofluidos em um evaporador de casco e tubo, o qual foi simulado a partir de um modelo termodinâmico detalhado. Dados experimentais foram levantados para validar o modelo.The application of nanofluids as secondary fluids in vapor compression refrigeration systems is studied with the development of a lumped-parameter thermodynamic model. When a nanofluid is used as a heat transfer fluid, its thermal conductivity and viscosity increase, when compared with the corresponding properties of the base fluid. The irreversibilities due to heat transfer and due to friction decrease and increase, respectively. After irreversibility is calculated for each component, the method of structural coefficients of internal bonds is applied to determine the effect of the volumetric concentration of nanoparticles in the secondary fluid on the system’s global irreversibility, taking into account the interrelations of the analyzed structure. To estimate the practical limits of thermal irreversibility reduction with nanofluid application, an optimization of operational cost was proposed, based on thermoeconomic analysis, and considering the application of the new secondary fluid on the system, without additional modifications. Based on the proposed model, which was verified by experimental data, an typical operation condition was simulated. Through partial optimization, the minimum operational cost is determined for a simple variation of volumetric concentration of nanoparticles. The results of the optimizations furnish different optimal concentration values for different scenarios. Additionally, an study of nanofluid application in a shell and tube evaporator was included. The evaporator was simulated from a detailed thermodynamic model. Experimental data were collected to validate the model