Synthesis and cooling performance evaluation of novel nanofluid containing n- hexadecane-based nano-encapsulated phase change materials (NEPCMs) in minichannel heat sinks

No mundo moderno, gerir o calor é tão crítico quanto gerar energia. Desde os motores nos nossos carros até aos processadores nos nossos computadores, quase todas as máquinas libertam energia na forma de calor e, se esse calor não for removido de forma rápida e eficiente, o sistema pode falhar ou tornar-se perigosamente ineficiente. Durante décadas, os engenheiros confiaram em líquidos como a água para transportar este calor, mas à medida que os dispositivos diminuem e as exigências de potência crescem, a água simples muitas vezes atinge os seus limites. Para ultrapassar estas fronteiras, os cientistas recorreram a um truque inteligente: adicionar partículas minúsculas ao líquido para alterar a forma como este se move e absorve energia. Entre os aditivos mais promissores estão os materiais de mudança de fase. Estes são substâncias que podem armazenar uma quantidade massiva de energia térmica não por aquecerem, mas por mudarem o seu estado, tal como o gelo a derreter em água. Embora este processo ocorra a uma temperatura constante, permite que o material absorva o calor que, de outra forma, elevaria a temperatura do fluido circundante. O desafio sempre foi como fazer com que estes materiais funcionassem dentro de um líquido em fluxo sem que se aglomerassem ou vazassem, e como projetar os tubos por onde fluem para tirar o máximo partido das suas propriedades únicas.

Uma equipa de investigadores propôs-se resolver estes problemas criando um novo tipo de fluido de arrefecimento e testando-o em dois tipos diferentes de canais microscópicos. Começaram por fabricar cápsulas microscópicas, cada uma com um núcleo de uma substância cerosa chamada n-hexadecano, conhecida pela sua capacidade de derreter e absorver calor, rodeada por uma camada protetora resistente feita de um polímero semelhante ao plástico. Utilizando um processo que mistura óleo e água sob condições químicas específicas, produziram milhões destas pequenas esferas, cada uma com apenas cerca de 20 a 50 nanómetros de diâmetro. Para confirmar que tinham tido sucesso, examinaram a composição química das cápsulas e tiraram imagens de alta resolução que revelaram formas esféricas suaves, sem fendas ou fugas. Estas cápsulas foram depois misturadas em água pura numa concentração muito baixa, criando um fluido que parecia límpido, mas que se comportava de forma diferente da água isolada.

Os investigadores construíram então dois sistemas de arrefecimento distintos para testar este novo fluido. Ambos os sistemas eram feitos de cobre e continham vinte pequenos canais esculpidos nas suas superfícies. Um sistema apresentava canais que corriam numa linha perfeitamente reta, enquanto o outro apresentava canais que seguiam um caminho suave e ondulado. Bombearam o novo fluido através destes canais a várias velocidades, aquecendo a base dos blocos de cobre para simular o calor intenso gerado pelos componentes eletrónicos. O objetivo era observar quão bem o fluido conseguia transportar o calor em comparação com a água pura e compreender como a forma do canal influenciava o processo.

Os resultados mostraram que o novo fluido era um poderoso agente de arrefecimento, mas o seu desempenho dependia fortemente da forma do canal e da velocidade do fluxo. Nos canais ondulados, o fluido teve um desempenho excecional. À medida que o fluido se movia através das curvas, criava pequenos redemoinhos e perturbações que ajudavam a misturar o líquido e a quebrar a fina camada de calor que normalmente se forma contra as paredes metálicas quentes. Esta mistura permitia que as pequenas cápsulas libertassem o seu calor armazenado de forma mais eficaz. Nas velocidades de fluxo mais altas testadas, os canais ondulados com o novo fluido melhoraram a taxa de transferência de calor em 45 por cento em comparação com a água pura. O fluido também manteve as paredes metálicas significativamente mais frescas, reduzindo a sua temperatura em cerca de 30 por cento sob as condições mais exigentes.

No entanto, a história era diferente nos canais retos. Embora o novo fluido ainda apresentasse um desempenho superior à água em velocidades baixas, a sua vantagem começava a diminuir à medida que a velocidade do fluxo aumentava. Quando o fluido se movia demasiado rapidamente pelos tubos retos, passava pelo sistema tão depressa que as pequenas cápsulas não tinham tempo suficiente para derreter e absorver o calor. Elas essencialmente passavam apressadamente pelo canal antes que pudessem realizar o seu trabalho. Esta descoberta destacou um compromisso crucial: a capacidade única das cápsulas de armazenar calor exige que elas permaneçam na zona quente tempo suficiente para mudar de estado. Os canais ondulados, ao forçarem o fluido a percorrer um caminho mais longo e complexo, proporcionavam o tempo extra necessário para que este processo ocorresse, mesmo a altas velocidades.

Os investigadores também mediram quanto esforço era necessário para empurrar o fluido através dos canais. Como o fluido era ligeiramente mais espesso que a água e os canais ondulados eram mais complexos, era necessária mais energia para bombear o fluido, resultando numa queda de pressão mais elevada. Apesar deste custo de energia extra, o benefício geral do sistema de arrefecimento permaneceu positivo. A quantidade de calor removido era muito superior à penalização da energia extra de bombagem, pelo que o sistema foi considerado um sucesso líquido. O ponto ideal para o desempenho foi encontrado numa velocidade de fluxo específica, onde a absorção de calor era maximizada sem que as cápsulas fossem apressadas demasiado rapidamente. Nesta velocidade ideal, o novo fluido melhorou a eficiência de arrefecimento em 62 por cento nos canais ondulados e em 57 por cento nos canais retos em comparação com a água.

Quando os investigadores compararam o seu novo fluido com outro tipo de líquido de arrefecimento avançado contendo partículas sólidas de óxido de alumínio, descobriram que o seu fluido de mudança de fase era mais eficaz, embora fosse utilizado numa concentração muito inferior. O fluido de alumínio dependia simplesmente de conduzir melhor o calor, enquanto o novo fluido utilizava o poder de absorção de energia das cápsulas de fusão. Isto sugere que a capacidade de armazenar calor durante uma mudança de fase oferece uma vantagem distinta sobre o simples aumento da condutividade do líquido. O estudo conclui que, ao combinar estas microcápsulas de armazenamento de calor com um canal ondulado cuidadosamente desenhado, é possível criar um sistema de arrefecimento que é muito mais eficiente do que os padrões atuais, oferecendo um caminho promissor para a gestão do calor em dispositivos compactos e de alto desempenho.