A transferencia de calor de nanofluídos, clave na mellora do rendemento das enerxías renovables

A baixa condutividade térmica dos fluídos comunmente empregados para procesos de transferencia de calor na industria e nas enerxías renovables é o principal obstáculo para o incremento da súa eficiencia enerxética. Atendendo a esta premisa, o investigador do grupo de Física Aplica 2 Javier Pérez Vallejo centrou a súa de doutoramento en buscar novas vías para salvar esa eiva, en concreto estudando as propiedades dos nanofluídos. “A dispersión de partículas sólidas de tamaño nanométrico e cunha alta condutividade térmica (nanoaditivos) neses fluídos convencionais (fluídos base)”, explica o experto, “proporciona unha grande oportunidade para a mellora do seu rendemento de transferencia de calor”. Ademais, esas dispersións, coñecidas como nanofluídos, engade, “tamén teñen demostrado producir unha mellora da capacidade de absorción de luz solar, creando fluídos absorbentes de luz mellorados”.

A tese, titulada Design, characterization and heat transfer performance evaluation of carbon-based nanofluids for renewable energy applications, foi codirixida por José Fernández Seara e Luis Lugo, profesores das áreas de Máquinas e Motores Térmicos e Física Aplicada da Universidade de Vigo, respectivamente e enmárcase en dous proxectos coordinados do Ministerio de Economía e Competitividade e no marco da Acción COST Nanouptake. Como explica o seu autor, a tese foi realizada “pola modalidade compendio de artigos” e inclúe 11 textos previamente publicados en revistas de investigación internacionais.
Froito da investigación levada a cabo na tese, unha empresa do sector enerxético está a realizar ensaios cun nanofluído en equipos de refrixeración de turbinas eólicas de alta potencia. En concreto, estase a avaliar o seu rendemento en dous aeroxenerados en funcionamento continuo situados nun dos seus parques eólicos en Galicia.

As potencialidades do grafeno

A través dos distintos traballos, o investigador deseñou 22 novas familias de nanofluídos para aplicacións de transferencia de calor, presentando especial atención a parámetros como a estabilidade das dispersións a longo prazo e a influenza de variables como a concentración dos nanoaditivos ou o tamaño e forma das nanopartículas.

Para isto, Pérez Vallejo empregou como fluídos base compostos amplamente empregados en aplicacións de quentamento ou arrefriamento como auga, etilenglicol, propilenglicol ou diferentes mesturas entre eles. Como nanoaditivos apostou polos nanomateriais baseados en carbono e en especial o grafeno, “polas súas excepcionais propiedades térmicas”.  

Aplicacións de transferencia de calor

Como explica o investigador, “a determinación das propiedades físicas dos nanofluídos é fundamental para describir a súa eficiencia como novos fluídos de traballo”. Atendendo a isto, deseñou varias caracterizacións físicas para diversas aplicacións concretas, “como mellorar a transferencia de calor na captación xeotérmica e na refrixeración de turbinas eólicas ou a absorción da luz en absorbentes solares directos”. Ademais, apunta, para as aplicacións de transferencia de calor “determináronse experimentalmente as condutividades térmicas, viscosidades (comportamento reolóxico), capacidades caloríficas e densidades dos novos nanofluídos en amplos rangos de condicións”. Así, alcanzáronse incrementos da condutividade térmica, un dos parámetros con máis influencia nos procesos de intercambio de calor por convección xunto coa viscosidade, de ata o 16 %. Ademais, analizouse a potencialidade de diversos modelos da literatura para todas as propiedades estudadas e propúxose unha nova ecuación para modelar o comportamento da viscosidade en función da concentración de nanoaditivo e a temperatura. Finalmente, para aplicacións de absorción directa da luz, determinouse a transmitancia óptica das novas mostras, “obtendo incrementos de máis dun 4000% do coeficiente de extinción para certas lonxitudes de onda”.

Finalmente, o rendemento de transferencia de calor por convección foi avaliado mediante un banco de ensaios “cuxo elemento principal é un intercambiador de calor de dobre tubo para as familias de nanofluídos que presentaban mellores expectativas”. A través dos diferentes traballos, alcanzáronse melloras dos coeficientes de convección de ata o 32 %. Por último, obtivéronse correlacións adimensionais para caracterizar este comportamento para cada grupo de nanofluídos e así ampliar a utilidade destes estudos a outras aplicacións.