Ar-condicionado verde e de estado sólido alcança escala de quilowatts

Mec?nica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2025

Refrigera??o elastocal?rica

No ano passado, uma equipe da Universidade de Ci?ncia e Tecnologia de Hong Kong bateu o recorde mundial de efici?ncia com um sistema de refrigera??o de estado s?lido.

Desde ent?o, eles trabalham para escalonar a tecnologia, e agora apresentaram o primeiro sistema de resfriamento elastocal?rico em escala de quilowatts (kW) j? constru?do - na verdade, o sistema superou em mais de um quarto a meta proposta de 1 kW.

O dispositivo estabiliza temperaturas internas em confort?veis 21-22 ?C em apenas 15 minutos, mesmo quando as temperaturas externas atingem entre 30-31 ?C, um avan?o significativo em dire??o ? aplica??o comercial da tecnologia de refrigera??o de estado s?lido.

A refrigera??o elastocal?rica ? inteiramente de estado s?lido, funcionando com base em transi??es de fase revers?veis de materiais conhecidos como ligas com mem?ria de forma (ou SMAs, de Shape Memory Alloys), dispensando o compressor mergulhado em ?leo e os problem?ticos gases refrigerantes.

At? agora, a pot?ncia m?xima de resfriamento dos equipamentos de resfriamento elastocal?ricos era de cerca de 260 watts, o que n?o atendia ao requisito de escala de quilowatts exigido pelos sistemas comerciais de ar condicionado.

A equipe descobriu que esse gargalo decorria de dois problemas principais: (1) A dificuldade em equilibrar o poder de resfriamento espec?fico (SCP) do refrigerante com a massa ativa total; e (2) uma efici?ncia insuficiente na transfer?ncia de calor durante a opera??o de alta frequ?ncia.

S?rie-paralelo

Para superar os dois problemas, a equipe idealizou um projeto de arquitetura multicelular que eles chamam de "SMAs em s?rie - fluido em paralelo". Essa arquitetura conecta em s?rie 10 unidades de resfriamento elastocal?rico ao longo da dire??o da aplica??o da for?a, com cada unidade contendo quatro tubos de liga de n?quel-tit?nio de parede fina, totalizando uma massa de apenas 104,4 gramas.

Os tubos de n?quel-tit?nio apresentam uma alta rela??o ?rea de superf?cie/volume (7,51 mm^-1), que melhora significativamente a efici?ncia da troca de calor. Enquanto isso, o canal de fluido paralelo mant?m a press?o do sistema abaixo de 1,5 bar, garantindo uma opera??o est?vel de alta frequ?ncia.

Outra inova??o fundamental envolveu substituir a ?gua destilada tradicional por um nanofluido de grafeno, um meio de transfer?ncia de calor com uma excepcional condutividade t?rmica. Experimentos mostraram que o nanofluido de grafeno, com concentra??o de apenas 2 gramas por litro, conduz calor 50% mais eficientemente do que a ?gua destilada. E o di?metro de suas nanopart?culas (0,8 micr?metro) ? muito menor do que a largura dos canais de fluido (150-500 micr?metros), evitando riscos de entupimento.

Desempenho em condi??es reais

Em uma alta frequ?ncia de 3,5 Hz, o dispositivo atingiu uma pot?ncia de resfriamento espec?fica de 12,3 W/g e uma pot?ncia de resfriamento total de 1,284 kilowatt, demonstrando sua viabilidade pr?tica em condi??es do mundo real.

Em testes de aplica??o pr?tica, o dispositivo resfriou uma casa modelo de 2,7 m³ em um ambiente externo de ver?o com temperaturas entre 30-31 ?C, estabilizando a temperatura interna em confort?veis 21-22 ?C em 15 minutos.

"No futuro, o desempenho de resfriamento do sistema pode ser melhorado ainda mais com o desenvolvimento de novos materiais elastocal?ricos e a otimiza??o da arquitetura de acionamento rotativo. Essas melhorias podem ajudar a atingir pot?ncias maiores de resfriamento, o que significa que os ambientes internos podem ser resfriados em significativamente menos tempo," disse o professor Shuhuai Yao.

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