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

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2025

O ar-condicionado de estado sólido é muito compacto.
[Imagem: HKUST]

Refrigeração elastocalórica

No ano passado, uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong bateu o recorde mundial de eficiência com um sistema de refrigeração de estado sólido.

Desde então, eles trabalham para escalonar a tecnologia, e agora apresentaram o primeiro sistema de resfriamento elastocalórico em escala de quilowatts (kW) já construído - na verdade, o sistema superou em mais de um quarto a meta proposta de 1 kW.

O dispositivo estabiliza temperaturas internas em confortáveis 21-22 ºC em apenas 15 minutos, mesmo quando as temperaturas externas atingem entre 30-31 ºC, um avanço significativo em direção à aplicação comercial da tecnologia de refrigeração de estado sólido.

A refrigeração elastocalórica é inteiramente de estado sólido, funcionando com base em transições de fase reversíveis de materiais conhecidos como ligas com memória de forma (ou SMAs, de Shape Memory Alloys), dispensando o compressor mergulhado em óleo e os problemáticos gases refrigerantes.

Até agora, a potência máxima de resfriamento dos equipamentos de resfriamento elastocalóricos era de cerca de 260 watts, o que não 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 específico (SCP) do refrigerante com a massa ativa total; e (2) uma eficiência insuficiente na transferência de calor durante a operação de alta frequência.

Esquema de funcionamento do sistema de ar-condicionado de estado sólido.
[Imagem: Guoan Zhou et al. - 10.1038/s41586-024-08549-9]

Série-paralelo

Para superar os dois problemas, a equipe idealizou um projeto de arquitetura multicelular que eles chamam de "SMAs em série - fluido em paralelo". Essa arquitetura conecta em série 10 unidades de resfriamento elastocalórico ao longo da direção da aplicação da força, com cada unidade contendo quatro tubos de liga de níquel-titânio de parede fina, totalizando uma massa de apenas 104,4 gramas.

Os tubos de níquel-titânio apresentam uma alta relação área de superfície/volume (7,51 mm^-1), que melhora significativamente a eficiência da troca de calor. Enquanto isso, o canal de fluido paralelo mantém a pressão do sistema abaixo de 1,5 bar, garantindo uma operação estável de alta frequência.

Outra inovação fundamental envolveu substituir a água destilada tradicional por um nanofluido de grafeno, um meio de transferência de calor com uma excepcional condutividade térmica. Experimentos mostraram que o nanofluido de grafeno, com concentração de apenas 2 gramas por litro, conduz calor 50% mais eficientemente do que a água destilada. E o diâmetro de suas nanopartículas (0,8 micrômetro) é muito menor do que a largura dos canais de fluido (150-500 micrômetros), evitando riscos de entupimento.

Instalação de teste em condições realísticas.
[Imagem: Guoan Zhou et al. - 10.1038/s41586-024-08549-9]

Desempenho em condições reais

Em uma alta frequência de 3,5 Hz, o dispositivo atingiu uma potência de resfriamento específica de 12,3 W/g e uma potência de resfriamento total de 1,284 kilowatt, demonstrando sua viabilidade prática em condições do mundo real.

Em testes de aplicação prática, o dispositivo resfriou uma casa modelo de 2,7 m³ em um ambiente externo de verão com temperaturas entre 30-31 ºC, estabilizando a temperatura interna em confortáveis 21-22 ºC em 15 minutos.

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

Mais tópicos