Cristalização e condutividade térmica de parafinas como materiais de mudança de fase. - Costa, Adriano Bonangelo (2024)
O armazenamento de energia térmica auxilia na redução do desperdício de energia e aumenta a eficiência de processos onde há oscilação entre a oferta e a demanda de energia térmica. Materiais de mudança (MMF) de fase absorvem energia térmica, na forma de calor latente, quando fundem ou cristalizam. As parafinas, hidrocarbonetos lineares saturados, possuem vantagens para aplicação como MMF com entalpia de fusão entre 100 a 250 J.g-1 e serem baratas. Porém as parafinas têm desvantagens por serem inflamáveis e possuírem baixa condutividade térmica (aproximadamente 0,2 W.m-1.K-1). A baixa condutividade térmica limita a taxa de absorção ou o fornecimento de energia térmica ao meio externo. As parafinas cristalizam com suas longas cadeias carbônicas em conformações trans e alinhadas em paralelo. A condutividade térmica na direção da cadeia carbônica é maior do que em relação ao plano transverso à cadeia. Este trabalho possui o objetivo de estudar a condutividade térmica de parafinas sólidas formadas sob diferentes taxas de cristalização e averiguar se há relação entre a condutividade térmica e as fases cristalinas presentes e o tamanho e orientação dos cristais. Para isso, algumas configurações foram elaboradas. Um primeiro experimento foi o dedo frio, sendo este um cilindro metálico resfriado internamente por fluido refrigerante, o qual é mergulhado em parafina fundida, provocando a cristalização do MMF sobre o cilindro metálico. As temperaturas da fonte fria e da fonte quente determinam a taxa de cristalização. Modelagens em uma e duas dimensões deste experimento foram elaboradas para entender os fenômenos de transferência de calor e massa. Um segundo sistema experimental consistiu de recipientes cilíndricos de cobre preenchidos com parafinas que são mergulhados em fluido refrigerante, onde a temperatura da parafina fundida e a temperatura do fluido refrigerante definem a taxa de cristalização. No terceiro conjunto experimental, uma platina térmica acoplada a um microscópio óptico resfria e aquece amostras parafínicas, permitindo analisar a forma e os tamanhos dos cristais sendo formados in situ. Por fim, foi desenvolvido um método para caracterizar camadas parafínicas crescidas em dedo frio, pelo emprego de um criomicrótomo que produz fatias micrométricas, permitindo observar os tamanhos e formas cristalinas formados nas diversas regiões concêntricas das camadas. A cristalização das parafinas não possui orientação, os cristais possuem majoritariamente hábito laminar e vermicular. As transições entre as fases cristalinas plásticas (rotacionais) e as fases cristalinas rígidas ocorrem principalmente por rearranjo do retículo cristalino, mas foram evidenciadas recristalizações mediadas por fundido. As dimensões cristalinas são fortemente influenciadas pela taxa de cristalização, diminuindo para maiores taxas. A condutividade térmica da fase rígida das parafinas aumenta com a taxa de cristalização. O modelo 1D previu aumento de 0,202 até 0,300 W.m-1.K-1. Medidas experimentais diretas previram aumento de 0,26 até 0,30 W.m-1.K-1. Além disso, a fase rígida possui maior condutividade térmica que a fase rotacional RI em aproximadamente 24%. A condutividade térmica da fase rotacional não é alterada pela taxa de cristalização.