Resfriamento ativo - Active cooling

O resfriamento ativo é um mecanismo de redução de calor que normalmente é implementado em dispositivos eletrônicos e edifícios internos para garantir a transferência de calor e a circulação adequadas de dentro.

Ao contrário do resfriamento passivo equivalente , o resfriamento ativo depende inteiramente do consumo de energia para funcionar. Ele usa vários sistemas mecânicos que consomem energia para dissipar o calor. É comumente implementado em sistemas que não conseguem manter sua temperatura por meios passivos. Os sistemas de resfriamento ativos geralmente são alimentados por meio do uso de eletricidade ou energia térmica, mas é possível que alguns sistemas sejam alimentados por energia solar ou mesmo por energia hidrelétrica. Eles precisam ser bem mantidos e sustentáveis para que possam realizar suas tarefas necessárias ou a possibilidade de danos dentro dos objetos podem ocorrer. Várias aplicações de sistemas comerciais de resfriamento ativo incluem condicionadores de ar internos, ventiladores de computador e bombas de calor.

Uso de construção

Muitos edifícios exigem altas demandas de resfriamento e até 27 das 50 maiores áreas metropolitanas ao redor do mundo estão localizadas em áreas de clima quente ou tropical. Com isso, os engenheiros precisam estabelecer o equilíbrio térmico para garantir a ventilação adequada em toda a estrutura.

A equação do balanço de calor é dada como:

${\ displaystyle p \ cdot c_ {p} \ cdot V \ cdot dT / dt = E_ {int} + E_ {Conv} + E_ {Vent} + E_ {AC}}$

onde é a densidade do ar, é a capacidade de calor específica do ar a pressão constante, é a taxa de transferência de calor , são os ganhos de calor interno, é a transferência de calor através do envelope, é o ganho / perda de calor entre o ar interno e externo, e é a transferência mecânica de calor. ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle c_ {p}}$ ${\ displaystyle dT / dt}$ ${\ displaystyle E_ {int}}$ ${\ displaystyle E_ {Conv}}$ ${\ displaystyle E_ {Vent}}$ ${\ displaystyle E_ {AC}}$

Usando isso, pode-se determinar quanto resfriamento é necessário dentro da infraestrutura.

Existem três sistemas de resfriamento ativo comumente usados nos setores residenciais:

Fãs

Um ventilador é formado por três a quatro pás giradas por um motor elétrico a uma velocidade constante. Ao longo da rotação, o fluxo de ar é produzido e o ambiente é resfriado através do processo de transferência de calor por convecção forçada. Devido ao seu preço relativamente baixo, é o mais usado dos três sistemas de resfriamento ativos no setor residencial.

Bombas de calor

Uma bomba de calor utiliza eletricidade para extrair calor de uma área fria para uma área quente, fazendo com que a temperatura da área fria diminua e a temperatura da área quente aumente.

Existem dois tipos de bombas de calor:

Bombas de calor de compressão

Sendo a variante mais popular das duas, as bombas de calor de compressão operam por meio do ciclo de refrigeração. O refrigerante de vapor no ar é comprimido enquanto aumenta a temperatura, criando um vapor superaquecido. O vapor então passa por um condensador e se converte em uma forma líquida, dissipando mais calor no processo. Viajando pela válvula de expansão, o refrigerante líquido forma uma mistura de líquido e vapor. Ao passar pelo evaporador, o refrigerante a vapor se forma e é expelido no ar, repetindo o ciclo do refrigerante.

Bombas de absorção de calor

O processo para a bomba de calor de absorção funciona de forma semelhante à variante de compressão com o principal contraste sendo o uso de um absorvedor em vez de um compressor. O absorvedor recebe o vapor refrigerante e cria uma forma líquida que então viaja para a bomba de líquido para ser transformada em vapor superaquecido. A bomba de calor de absorção utiliza eletricidade e calor para sua funcionalidade em comparação com bombas de calor de compressão que usam apenas eletricidade.

Resfriadores evaporativos

Um resfriador evaporativo absorve o ar externo e o passa através de almofadas saturadas de água, baixando a temperatura do ar por meio da evaporação da água.

Pode ser dividido por:

Direto

Este método evapora a água que então iria viajar diretamente para a corrente de ar, produzindo uma pequena forma de umidade. Geralmente, é necessário um consumo decente de água para reduzir adequadamente a temperatura da área circundante.

Indireto

Este método evapora a água em um segundo fluxo de ar e, em seguida, passa por um trocador de calor, baixando a temperatura do fluxo de ar principal sem adicionar umidade. Comparado aos resfriadores evaporativos diretos, ele requer muito menos consumo de água para operar e reduzir a temperatura.

Outras aplicações

Além do uso comercial normal de resfriamento ativo, os pesquisadores também estão procurando maneiras de melhorar a implementação do resfriamento ativo em várias tecnologias.

Gerador termoelétrico (TEG)

O gerador termoelétrico , ou TEG, é uma fonte de energia que tem sido experimentada recentemente para testar sua viabilidade em manter o resfriamento ativo. É um dispositivo que utiliza o efeito Seebeck para converter energia térmica em energia elétrica. As aplicações da fonte de alimentação são mais comumente encontradas em tecnologias que requerem alta potência. Os exemplos incluem sondas espaciais, aeronaves e automóveis.

Em uma pesquisa de 2019, a viabilidade do resfriamento ativo TEG foi testada. O teste foi aplicado em um Raspberry PI3 , um pequeno computador de placa única, equipado com um ventilador alimentado por TEG e foi comparado a outro alimentado por um cooler passivo comercial. Ao longo da pesquisa, a voltagem, a potência e a temperatura em ambos os IPs do Raspberry foram observados e registrados. Os dados mostraram que, ao longo do teste de benchmark, o Raspberry PI3 alimentado por TEG estabilizou a uma temperatura alguns graus Celsius mais baixa do que o Raspberry PI3 de resfriamento passivo. A potência produzida pelo TEG também foi analisada para medir a possibilidade do ventilador ter capacidades autossustentáveis. Atualmente, usar apenas o TEG para alimentar o ventilador não é suficiente para ser totalmente autossustentável porque falta energia suficiente para a inicialização do ventilador. Mas, com a implantação de um acumulador de energia, isso seria possível.

A geração de energia do TEG é dada como:

${\ displaystyle P_ {TEG} \ rightarrow {fanairflow \ over fanpower} \ rightarrow \ sum R_ {Thermal} \ rightarrow \ bigtriangleup T_ {TEG} \ rightarrow P_ {TEG}}$

onde é a potência gerada pelo TEG, é a resistência térmica e é a temperatura do TEG. ${\ displaystyle P_ {TEG}}$ ${\ displaystyle R_ {térmica}}$ ${\ displaystyle T_ {TEG}}$

Com base no resultado, o resfriamento ativo do gerador termoelétrico demonstrou efetivamente diminuir e manter as temperaturas comparáveis ao uso comercial de resfriadores passivos.

Resfriamento ativo de quase imersão (NIAC)

Near Immersion Active Cooling, ou NIAC, é uma técnica de gerenciamento térmico que foi recentemente pesquisada em um esforço para reduzir a quantidade de acúmulo de calor gerada por Wire + Arc Additive Manufacturing, ou WAAM (uma tecnologia de impressão 3-D de metal).

Em um experimento de 2020, os pesquisadores queriam descobrir a viabilidade de usar o NIAC e testar suas capacidades de resfriamento. O NIAC utilizou um líquido de resfriamento que envolve o WAAM dentro de um tanque de trabalho e aumentou o nível da água quando o metal está sendo depositado. O contato direto com o líquido permite a retirada rápida do calor do WAAM, diminuindo a temperatura em uma quantidade significativa. O experimento comparou a eficácia da redução da temperatura gerada pelo WAAM entre o resfriamento natural, o resfriamento passivo e o resfriamento ativo por imersão. O resfriamento natural usa ar, o resfriamento passivo usa um líquido de resfriamento que permanece em um nível fixo e o NIAC usa um líquido de resfriamento que sobe com base nas ações do WAAM.

Os seguintes testes foram usados para medir a viabilidade do uso do NIAC: análise térmica , qualidade geométrica, avaliação da porosidade e propriedades mecânicas. Na análise térmica, houve uma disparidade significativa de calor entre o NIAC e os outros tipos de resfriamento, com o NIAC resfriando a tecnologia em uma taxa muito mais rápida. Para a qualidade geométrica das paredes, o NIAC teve a parede mais fina e mais alta, o que mostra a durabilidade do WAAM ao usar o resfriamento ativo. A avaliação da porosidade mostrou que o resfriamento ativo continha o nível de porosidade mais baixo. Um alto nível de porosidade induz risco das propriedades mecânicas de WAAM. O NIAC tende a equalizar as propriedades mecânicas, levando a melhores propriedades, em contraste com o resfriamento natural e passivo. Por meio desses testes, foi determinado que o uso do NIAC é uma possibilidade válida e é comparável aos métodos de resfriamento convencionais, como o resfriamento passivo e natural.

Comparação com resfriamento passivo

O resfriamento ativo é geralmente comparado ao resfriamento passivo em várias situações para determinar qual fornece uma maneira melhor e mais eficiente de resfriamento. Ambos são viáveis em muitas situações, mas dependendo de vários fatores, um pode ser mais vantajoso do que o outro.

Vantagens

Os sistemas de resfriamento ativo geralmente são melhores em termos de redução da temperatura do que os sistemas de resfriamento passivos. O resfriamento passivo não utiliza muita energia para sua operação, mas aproveita o resfriamento natural, que leva mais tempo para resfriar por um longo período de tempo. A maioria das pessoas prefere o uso de sistemas de resfriamento ativo em climas quentes ou tropicais do que o resfriamento passivo devido à sua eficácia na redução da temperatura em um curto intervalo de tempo. Em tecnologias, ajuda a manter as condições térmicas adequadas, evitando o risco de danos ou superaquecimento dos principais sistemas operacionais. É capaz de equilibrar melhor a geração de calor da tecnologia, mantendo-a de forma consistente. Alguns sistemas de resfriamento ativo também contêm a possibilidade de serem autossustentáveis, como mostrado na aplicação do gerador termoelétrico em comparação com o resfriamento passivo, onde é altamente dependente de meios naturais para operar.

Desvantagens

Os problemas com o resfriamento ativo em comparação ao resfriamento passivo são principalmente os custos financeiros e o consumo de energia. Por causa da alta necessidade de energia do resfriamento ativo, ele o torna muito menos eficiente em termos de energia e menos eficiente em termos de custos. Em um ambiente residencial, o resfriamento ativo geralmente consome uma grande quantidade de energia para fornecer resfriamento suficiente em todo o edifício, o que aumenta os custos financeiros. Os engenheiros do edifício precisariam levar em conta que um aumento no consumo de energia também teria um fator de afetar negativamente o clima global. Comparado ao resfriamento ativo, o resfriamento passivo é mais visto sendo usado em locais com temperaturas médias ou baixas.

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