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REFRIGERAÇÃO TERMOACÚSTICA.

A refrigeração convencional utiliza químicos como CFC e HFC, que absorvem calor quando passam do estado líquido para vapor, os CFCs já foram praticamente banidos através do  Protocolo de Montreal que  estabeleceu um acordo mundial contra sua utilização. Hoje o CFC está sendo substituído pelo HFC, que também contribui para o efeito estufa e já está na mira de diversos ambientalistas no mundo.

Através disso hoje diversas pesquisas têm se intensificado para desenvolvimento de máquinas sustentáveis que possam fazer uso de energia limpa e que sejam mais eficientes, entendo se que a grande maioria dos sistemas térmicos não são eficientes.

As máquinas termoacústicas se baseiam em dois princípios básicos, onde entende se  que um grande gradiente de temperatura ( uma variação de temperatura ) dentro de um tubo pode gerar uma onda acústica no interior do mesmo, e o segundo acontece de forma inversa onde  uma onda acústica pode gerar um gradiente de temperatura.

Esses dois princípios de conversão de energia são desenvolvidos com a lógica inversa , o primeiro deles, de que num tubo frio existe a emissão de um som após um pulso de ar quente, à partir deste princípio pôde se desenvolver aplicações onde pode se transferir o calor de uma determinada região para se dissipar em outra determinada região “fria”. Esse “motor”, que faz a conversão térmica (calor) para acústica (trabalho), foi estudado experimentalmente por Sondhauss em 1850 e explicado qualitativamente por Lord Rayleigh em 1894, que estudou a fundo a oscilação dos gases, dando um grande passo ao estudo da termoacústica.

As máquinas termoacústicas utilizam-se de ondas sonoras com altas amplitudes para criar diferenças de pressão, temperatura e deslocamento dos gases, que são princípios utilizados nas bombas de calor que utilizam resfriadores e regeneradores para compor toda a arquitetura do sistema. No resfriador, a maior parte da variação de temperatura provém da compressão e expansão do gás, e o restante é consequência da transferência de calor entre o gás e o regenerador.

 A mudança de pressão e volume específico do gás se deve ao fato das ondas geradas pelo alto-falante, dentro do tubo fechado, possuírem o comportamento de ondas estacionárias. Deste modo, as partículas de gás se movimentam num determinado espaço. Por ser um sistema fechado há conservação de massa e este deslocamento provoca mudança de pressão e, consequentemente, de temperatura.

 No regenerador, as partículas se comportam da seguinte maneira: A seguir, uma breve descrição do comportamento de uma partícula no regenerador:

t1

  1. a partícula, devido ao trabalho fornecido pelo alto-falante, se desloca para direita em um processo de compressão quase adiabática, aumentando sua temperatura;
  2. a seguir ocorre um processo de transferência térmica da partícula para a placa, uma vez que a partícula do gás possui uma temperatura superior à da placa;
  3. a partícula faz o caminho inverso, por causa do movimento oscilatório do gás, e passa por um processo de expansão quase adiabática que reduz sua temperatura;
  4. finalmente, como a partícula tem agora uma temperatura inferior à da placa, ocorre uma transferência de calor dessa para a partícula, que retorna ao seu estado inicial, fechando-se, com isso, o ciclo termoacústico.

 

Arquitetura de um Refrigerador termoacústico.

O refrigerador termoacústico funciona, basicamente da seguinte forma: um auto-falante, pelo seu movimento oscilatório, excita o gás presente no tubo de ressonância pressurizado ou não, gerando ondas estacionárias. Localizada em um ponto estratégico, a pilha é responsável pelas interações visco térmicas, sendo ela o coração do refrigerador onde ocorre transformação de energia cinética de oscilação em calor e cabe aos trocadores de calor retirarem essa energia dentro do tubo.

Este é ciclo é composto por dois processos adiabáticos e dois processos de transferência de calor à pressão constante que se resume no ciclo de brayton.

A grande diferença entre ciclo termoacústico e o ciclo Brayton é a constante interação entre o fluído (moléculas do gás) com as superfícies  da pilha. Para uma melhor aproximação dos ciclos, deve se adotar um movimento oscilatório de onda quadrada. Assim pode se dividir claramente o ciclo em quatro etapas bem distintas:

t2

 

1 – o alto falante  realiza todo  trabalho sobre gás, comprimindo o movendo o da extremidade fria para a extremidade quente da pilha ;

2 – o gás aquecido transfere energia na forma de calor para a superfície a pressão praticamente constante;

3 – o gás com uma temperatura menor é expandido, devido ao retorno do cone do alto – falante, retornando para o lado frio da pilha efeito da diminuição da pressão;

4 – mais frio, o gás novamente troca calor com a superfície da pilha, fazendo com que esta ceda energia ao gás na forma de calor, diminuindo sua temperatura e fechando o ciclo.

Todo este novo sistema de refrigeração que se baseia em princípios termoacústicos, tende a ser uma tecnologia muito utilizada,pois é ambientalmente correta para substituir os gases refrigerantes utilizados em freezers e geladeiras e também abre um grande leque de opções para utilizam de fontes de energia limpa.

Através deste estudo pode se criar um  novo enfoque compacto para chillers termoacústicos possa ser utilizado primeiro em aplicações que são problemáticas para a refrigeração química, como máquinas de venda automática de bebidas, refrigeração de chips de computadores equipamentos industriais, residenciais, médicos, farmaceíticos  e entre outros.

 

FONTES:

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010170040511#.WEGq89UrLIU

http://sites.poli.usp.br/d/pme2600/2007/Artigos/Art_TCC_010_2007.pdf

http://bdm.unb.br/bitstream/10483/3379/1/2011_RaphaelGomesGonzalez.pdf

https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/92456

http://www.posgrad.mecanica.ufu.br/posmec/17/PDF/31.pdf

 

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Escrito por Kawann Costa

Engenheiro Mecatrônico obcecado em entender como as coisas funcionam em seus níveis mais baixos de abstração.

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