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OPTIMIZAÇÃO DA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE FLUIDOS
REFRIGERANTES BASEADOS EM SUSPENSÕES ALCÓOLICAS DE
GRAFITE VIA DIMINUIÇÃO DE TAMANHO MÉDIO DE PARTÍCULA
Potensa, B. S.*; Lanfredi, S; Nobre, M. A. L.
Faculdade de Ciências e Tecnologia – FCT Universidade Estadual Paulista – UNESP
Departamento de Química e Biologia – DQB Laboratório de Compósitos e Cerâmicas Funcionais – LaCCeF
R. Roberto Simonsen 305,C. P. 467, Presidente Prudente, SP 19060-900 *[email protected]
RESUMO
Fluidos refrigerantes de alta condutividade térmica, maior ou igual a 1 W/mK,
tem sido preparados pela dispersão de grafite comercial em fluidos
convencionais como etileno glicol. A condutividade térmica deste fluido é
função da fração de grafite dispersa e condutividade térmica do fluido. No
entanto, a relação entre o tamanho de partícula de grafite e a condutividade
térmica de suspensões em etileno glicol é desconhecida. O objetivo deste
estudo é investigar correlação entre o tamanho de partícula de grafite e seu
efeito sobre a condutividade térmica das suspensões. Diferentes distribuições
de tamanho de partícula de grafite comercial foram preparadas por moagem de
alta energia em tempos de 3, 6, 12 e 24 horas, meio de álcool isopropílico com
pós-dispersão do grafite via ultrassom. Os pós de grafite moídos foram
caracterizados pelas técnicas de Difração de Raios X, Espectroscopia
Vibracional de Absorção na Região do Infravermelho e Microscopia Eletrônica
de Varredura. Medidas de condutividade térmica e resistividade térmica das
suspensões de grafite foram realizadas e comparadas à de grafite comercial.
Suspensões de alta condutividade térmica superiores a dispersões de grafite
comercial com potenciais de aplicação em fluidos refrigerantes foram
desenvolvidas. Os efeitos do aumento da distribuição de partículas com
contribuições de menores tamanhos de partículas de grafite sobre o
desenvolvimento de novos fluidos refrigerantes de alta condutividade térmica
são discutidos.
Palavras-chave: Grafite, condutividade térmica, tamanho de partícula, etileno
glicol.
60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP
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INTRODUÇÃO
O resfriamento é uma operação essencial em várias aplicações
industriais e projetos de engenharia [1]. Os fluidos convencionais utilizados
para aplicações de transferência de calor apresentam baixa condutividade
térmica. Etileno glicol e água são fluidos amplamente usados em aplicações de
transferência de calor e apresentam condutividade térmica igual a 0,252 W/mK
e 0,613 W/mK, respectivamente [2,3].
A fim de aumentar a taxa de transferência de calor num permutador de
calor, novas técnicas e métodos tem sido desenvolvidas, tais como: aumento
da área de transferência de calor, aumentar o gradiente de temperatura ou
aumentar a condutividade térmica do fluido refrigerante. Entre os métodos, o
aumento da condutividade térmica de fluidos de transferência de calor via
adição de partículas/nanopartículas a um fluido mostra-se um dos mais
promissores [1].
Um número crescente de estudos envolvendo materiais à base de
carbono, tais como grafite, fulereno, os nanotubos de carbono e grafeno tem
sido publicados [4]. Fluidos refrigerantes de alta condutividade térmica, acima
de 1 W/mK, tem sido preparados pela dispersão de grafite comercial em fluidos
convencionais. Nestes fluidos, a condutividade térmica é função da fração de
grafite dispersa e condutividade térmica do fluido base [5]. Entretanto, a
contribuição do tamanho de partícula de grafite e a condutividade térmica de
suspensões em etileno glicol não tem sido investigada. O objetivo deste estudo
é investigar correlação entre o tamanho de partícula de grafite e seu efeito
sobre a condutividade térmica de suspensões em álcool.
MATERIAIS E MÉTODOS
Grafite em pó comercial foi moído em um moinho tipo atritor de alta
energia da marca NETZSCH, com haste de aço inox com 8 braços do tipo
Molinex. A moagem de grafite foi realizado em meio de álcool isopropílico na
proporção de 4:1 e utilizadas bolas de zircônia de 2 mm de diâmetro na
proporção de 16:1 e frequência de 20 Hz. Tempos de moagem foram iguais a
3, 6, 12 e 24 horas. Após a moagem, o pó resultante foi seco em uma estufa a
105ºC por 12 horas.
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O pó de grafite comercial e o pó resultante da moagem foram caracterizados
pelas técnicas de Difração de raios X, Espectroscopia vibracional de Absorção
na Região do Infravermelho e Microscopia Eletrônica de Varredura. As
propriedades térmicas do grafite comercial e moído foram investigadas, tais
como condutividade térmica k, resistividade térmica ρ, calor especifico
volumétrico C e difusividade térmica D.
As propriedades térmicas foram investigadas em um analisador de
propriedades térmicas KD2 PRO DEGAGON. O equipamento obedece a
Aplicação de Direção do Conselho 89/336/CEE [6] e segue as normas
internacionais EN55022: 1987 e EN500082-1: 1991[7]. As medidas de
condutividade térmica no sistema KD2 PRO DEGAGON baseiam-se no método
do fio quente transiente (THW), que consiste num fio de platina que atua como
um aquecedor e um termômetro de resistência elétrica. Esta técnica baseia-se
na medição da temperatura e resposta temporal do fio quente, quando ele é
submetido a um pulso elétrico. Se a temperatura do fio quente em tempos t1e t2
foram T1 e T2, respectivamente [4,8], a condutividade térmica pode ser
determinada através da equação (A):
O sensor utilizado nas medidas no KD2 PRO DEGAGON foi o sensor
tipo SH-1 para medidas em sólidos e pós, que consiste em duas agulhas
paralelas de 30 mm de comprimento, 1,28 mm de diâmetro, com 6 mm de
espaçamento entre as agulhas. A calibração do equipamento foi realizada com
o bloco DB2094, cujo valor de condutividade térmica é 0,398W/mK.
A dispersão do grafite comercial marca Proauto e moído foi realizada em
um ultrassom de baixa potência, com aquecimento e agitação por 30 minutos
[9]. O fluido utilizado para preparação das suspensões foi o etileno glicol.
Foram preparadas suspensões de grafite nas proporções em massa: 5, 10, 20
e 40 %. As propriedades térmicas investigadas foram: condutividade e
resistividade, utilizando um sensor tipo KS-1, para medidas em líquidos. O
equipamento foi calibrado com o padrão de condutividade térmica, glicerina,
cujo valor de condutividade térmica é igual a 0,285 W/mK.
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RESULTADOS E DISCUSSÕES
CARACTERIZAÇÃO DO PÓ DE GRAFITE
A figura 1 mostra os difratogramas de raios X dos pós de grafite e grafite
após moagem em moinho atritor em tempos de: 3, 6, 12 e 24 horas em meio
álcool isopropílico, seco por 12 horas em uma estufa.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Grafite comercial
Grafite moído por 3h
Grafite moído por 6h
Grafite moído por 12h
Inte
nsid
ad
e (
u.a
.)
2
Grafite moído por 24h
Figura 1: Difratogramas de raios X do pó de grafite comercial e moído por
diferentes tempos: 3, 6, 12 e 24h.
A figura 2 mostra os espectros de absorção na região do infravermelho
dos pós de grafite comercial e moído em diferentes tempos.
Figura 2: Espectros de absorção na região do infravermelho do grafite
comercial e moído em álcool isopropílico por: 3, 6, 12 e 24 horas.
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De acordo com a figura 1, em todas as amostras são observados linhas
de difração características do grafite indicando ser um material cristalino. O
material comercial mostra uma linha de difração intensa, com 100% de
intensidade relativa, posicionada em 2θ = 26,5º, característica grafite cristalino
segundo Iwashita [10]. Uma diminuição da intensidade da linha de difração com
100% de intensidade relativa em 2θ = 26,5º foi observado como função do
aumento do tempo de moagem.
De acordo com a figura 2, uma banda de absorção atribuída ao
estiramento O-H foi observado na região de 3400 cm-1. Uma pequena banda
de absorção atribuída à vibração do grupo C=O ocorre na região de 1600 cm-1.
Na região de 2900 cm-1 foi observada uma pequena banda de absorção
referente ao estiramento simétrico e assimétrico da ligação C-H. Além disso,
vários modos vibracionais da ligação C-H na região de 800 a 400 cm-1 [11].
Uma banda forte na região de 1020 – 1090 cm-1 é atribuída à ligação C-O [12].
A figura 3 mostra as imagens de microscopia eletrônica de varredura do pó de
grafite.
Figura 3: Micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura do pó de grafite num aumento de 1000 vezes (a) comercial, (b) 3 horas, (c) 6 horas, (d) 12 horas e (e) 24 horas.
De acordo com a figura 3, As partículas do grafite exibem uma forma de
flocos. De acordo com figura 3(a) o grafite comercial se encontra na forma
flocos com folhas empilhadas densamente. Após o processo de moagem
identifica-se uma pequena diminuição no tamanho médio dos flocos de grafite.
Menores tamanhos de flocos de grafite desenvolvem-se após a moagem por 6
horas.
(a) (b)
(c) (d)
(e)
(e)
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A figura 4 mostra imagens de Mev das partículas de grafite num
aumento de 15000 vezes (a) comercial e (b) após o processo de moagem.
Figura 4: Micrografias das partículas de grafite num aumento de (a) comercial e
(b) após o processo de moagem. Magnificação de 15000 vezes.
Como função da moagem de alta energia ocorre um destacamento de
camadas das partículas de grafite. Isto sugere que, o esforço mecânico devido
ao processo de moagem afeta a disposição das camadas subjacentes de
grafite modificando a sequência de empilhamento das camadas e causando
diminuição do tamanho médio de cristalitos na direção do eixo c (Lc) [13]. Na
orientação turbostrática ou desordem turbostrática, as camadas grafíticas são
empilhadas com um desajuste e má-orientação angular de um empilhamento
para o outro [14]. A má-orientação angular de um empilhamento para outro, faz
com que a força de atração entre uma camada e outra seja menor, gera a força
motriz para diminuição do número de camadas empilhadas, conforme é
mostrado na figura 4.
As propriedades condutividade térmica K, resistividade térmica ρ, calor
específico volumétrico C e difusividade térmica D dos pós de grafite comercial
e moído em diferentes tempos são mostradas na tabela 1.
Tabela 1: Lista dos parâmetros K (W/mK), ρ (ºC.cm/W), C (MJ/m3K) e D
(mm2/s) do grafite comercial e moído por 3, 6, 12 e 24 horas.
Grafite K (W/mK) ρ (ºC.cm/W) C (MJ/m3K) D (mm2/s)
comercial 0,149 670,3 0,569 0,262 3 horas 0,162 618,9 0,481 0,336 6 horas 0,222 450,7 0,386 0,574 12 horas 0,183 546,6 0,678 0,270 24 horas 0,172 581,0 0,539 0,320
(a) (b)
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De acordo com a tabela 1, as evoluções dos valores dos parâmetros
mostrados na tabela 1 indicam que o processo de moagem de alta energia
modifica as características do pó de grafite. O pó de grafite moído por 6 horas
apresentou o maior valor de condutividade térmica e por consequência o menor
valor de resistividade térmica, devido menores tamanho de flocos de grafite e
maior destacamento das camadas.
CARACTERIZAÇÃO DAS SUSPENSÕES DE GRAFITE
A figura 5 mostra o efeito da adição de grafite comercial e moído em
diferentes tempos sobre a condutividade térmica da suspensão em etileno
glicol.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
comercial
Ajuste Linear
% em massa de grafite
Co
nd
utivid
ad
e té
rmic
a (
W/m
K)
3 horas
6 horas
12 horas
24 horas
Figura 5: Condutividade térmica da suspensão de grafite em etileno glicol em
diversas frações em porcentagem em massa: 5, 10, 20 e 40 % e submetidos a
moagem em diversos tempos: 3, 6, 12 e 24 horas.
Tabela 2: Coeficientes de correlação (R) e coeficiente angular.
Grafite Coeficiente de correlação (R) Coeficiente angular
comercial 0,98983 0,02127 3 horas 0,99883 0,02282 6 horas 0,99057 0,04356
12 horas 0,99816 0,03251 24 horas 0,99260 0,02464
De acordo com a figura 5, a condutividade térmica da suspensão de
grafite em etileno glicol aumenta em função do aumento da porcentagem em
massa de grafite.
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A condutividade térmica da suspensão evolui de forma linear, conforme os
valores de coeficientes de correlação mostrados na tabela 2. Entretanto, os
coeficientes angulares das retas são distintos, o que de acordo com a
discussão das figuras 3 e 4 indica que o tempo de moagem do grafite afeta
ambos os parâmetros, estrutura e distribuição de tamanhos de partículas,
modificando a condutividade térmica da suspensão.
A figura 6 mostra o efeito da adição de grafite comercial e moído em
diferentes tempos sobre a resistividade térmica da suspensão em etileno glicol.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
50
100
150
200
250
300
comercial
3 horas
6 horas
12 horas
24 horas
Re
sis
tivid
ad
e T
érm
ica
(ºC
.cm
/W)
% em massa de grafite
Figura 6: Evolução do parâmetro resistividade térmica da suspensão de grafite
em etileno glicol contendo diversas frações em porcentagem em massa: 5, 10,
20 e 40 % e submetidos à moagem em diversos tempos: 3, 6, 12 e 24 horas.
De acordo com a figura 6, uma diminuição da resistividade térmica
ocorre com o aumento da porcentagem em massa de grafite é observada. A
resistividade térmica decai de forma inversamente proporcional à condutividade
térmica. A resistividade térmica da suspensão de grafite em etileno glicol
diminui, mostrando que a adição de grafite contribuiu para melhorar a
condução de calor da suspensão.
A figura 7 mostra a evolução da razão entre condutividade térmica da
suspensão (Ke) e condutividade térmica do fluido base (Km), Ke/Km. O
parâmetro Ke/Km aumenta de forma linear em função do aumento da
porcentagem em massa de grafite, isso mostra que a adição de grafite contribui
de forma efetiva para o aumento da condutividade térmica da suspensão com
relação ao fluido base.
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A condutividade térmica da suspensão aumenta cerca de 8 vezes com relação
ao fluido base, conforme curva para grafite moído por 6h mostrada na figura 7.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 451
2
3
4
5
6
7
8
Ke
/km
% em massa de grafite
comercial
3 horas
6 horas
12 horas
24 horas
Figura 7: Evolução do parâmetro Ke/Km de suspensões contendo diversas
frações em porcentagem em massa: 5, 10, 20 e 40 % e submetidos à moagem
em diversos tempos: 3, 6, 12 e 24 horas.
A figura 8 mostra a evolução da razão da resistividade térmica da
suspensão (ρe) sobre a resistividade térmica do fluido base (ρe), ρe/ρm.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
e
/
m
% em massa de grafite
comercial
3 horas
6 horas
12 horas
24 horas
Figura 8: Evolução do parâmetro ρe/ρm de suspensões contendo diversas
frações em porcentagem em massa: 5, 10, 20 e 40 % e submetidos a moagem
em diversos tempos: 3, 6, 12 e 24 horas.
De acordo com a figura 8, o parâmetro ρe/ρm diminuiu com o aumento da
porcentagem em massa, isso mostra que as suspensões apresentam menor
dificuldade de resistir ao fluxo de energia térmica com relação ao fluido base.
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A figura 9 mostra o efeito dos diferentes tempos de moagem do grafite
sobre o magnitude da condutividade térmica da suspensão de 40% em massa
em etileno glicol.
comercial 3 horas 6 horas 12 horas 24 horas
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Co
nd
utivid
ad
e té
rmic
a (
W/m
K)
grafite
Figura 9: Comparação do desempenho do grafite sobre o incremento de
condutividade térmica das suspensões de 40% em massa em etileno glicol.
De acordo com a figura 9, é possível identificar desempenhos diferentes
com relação ao incremento da condutividade térmica da suspensão em etileno
glicol. o grafite moído por 6 horas apresentou maior valor de condutividade
térmica comparado com os demais, cerca de 8 vezes maior que a do fluido
base. Espera-se que quanto maior o tempo de moagem, maior o desempenho
do material, entretanto isso não foi observado. Isto sugere que outro fenômeno
esteja ocorrendo, em tempos maiores de moagem, associado à aglomeração
do grafite.
CONCLUSÕES
Suspensões de alta condutividade térmica, fluidos refrigerantes,
superiores a dispersões de grafite comercial foram desenvolvidas via processo
de moagem de alta energia. A condutividade térmica da suspensão de grafite
moído por 6 horas é cerca de o dobro do grafite comercial. O aumento da
distribuição de partículas com contribuições de menores tamanhos de
partículas de grafite provocam um aumento da condutividade térmica da
suspensão.
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THERMAL CONDUCTIVITY OPTIMIZATION OF COOLER FLUID BASED ON
THE ALCOHOLIC SUSPENSION OF GRAPHITE FROM DOWN SIZE
PARTICLES
ABSTRACT
This study is focused in the investigation of the correlation between the graphite particle size and its effect on the thermal conductivity of the alcoholic suspensions based on graphite particles. Several distributions of particle size of graphite were prepared by high energy milling during times of 3, 6, 12 and 24 hours, in medium of isopropyl alcohol. Powders of milled graphite were characterized by the techniques of X-ray diffraction, vibrational spectroscopy absorption in Infrared Region and Scanning Electron Microscopy. Measurements of thermal conductivity and thermal resistivity of the graphite suspensions were carried out and compared to the commercial graphite one. Suspensions of high thermal conductivity, superior to the commercial graphite dispersions, with potential application as refrigerant fluids were developed using milled graphite. Fluid with thermal conductivity higher than 1 W /mK, has been prepared by graphite dispersion in conventional fluids such as ethylene glycol. The effects of increased particle size distribution with smaller sized graphite particles on the development of new coolant of very-high thermal conductivity contributions are discussed. Keywords: Graphite, thermal conductivity, particle size, ethylene glycol.
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