[Índice ................................................................................................................................................................... i ](#_page1_x82.00_y71.00)[Lista de Figuras ................................................................................................................................................... i ](#_page1_x82.00_y422.00)[Lista de Tabelas ................................................................................................................................................... i ](#_page1_x82.00_y613.00)
<a name="_page1_x82.00_y422.00"></a>**Lista de Figuras**
-
-
[Figura 1. Condutividade térmica da alumina para diferentes tamanhos de NPs em diferentes frações mássicas às Temperaturas de 10ºC e 50ºC......................................................................................................................... 2 ](#_page3_x82.00_y386.00)[Figura 2. Condutividade térmica em função da temperatura para a) SiO2/Etileno glicol e b) SiO2/glicerol. .... 2 ](#_page3_x82.00_y695.00)[Figura 3. Efeito da forma das NPs na condutividade térmica de NFs. ............................................................... 3 ](#_page4_x82.00_y591.00)[Figura 4. Efeito da presença de um campo magnético na condutividade térmica de NFs. ................................. 4 ](#_page5_x82.00_y361.00)[Figura 5. Nanofluido de água + CuO. ................................................................................................................ 5 ](#_page6_x82.00_y427.00)[Figura 6. Nanofluido de água + SiO2. ................................................................................................................ 6 ](#_page7_x82.00_y311.00)[Figura 7. Diferentes formas de contaminação por NPs e níveis da sua atuação. ................................................ 7 ](#_page8_x82.00_y249.00)[Figura 8. Efeito de revestimento provocado pela deposição de NPs dos NF nas condutas. ............................... 7 ](#_page8_x82.00_y665.00)[Figura 9. Imagem TEM dos nanotubos. ............................................................................................................. 8 ](#_page9_x82.00_y345.00)[Figura 10. Viscosidade de diferentes concentrações de NTCs em água em função da velocidade de corte. ..... 8 ](#_page9_x82.00_y610.00)[Figura 11. Energia total do sistema a partir da análise das forças atrativas e repulsivas. ................................... 9 ](#_page10_x82.00_y319.00)
-
-
<a name="_page1_x82.00_y613.00"></a>**Lista de Tabelas**
-
-
[Tabela 1. Propriedades termofísicas de nanopartículas comuns e água (como fluido base)............................... 1 ](#_page2_x82.00_y518.00)
O termo fluidos térmicos (*thermal fluids*) pode ser entendido como a ciência que estuda os sistemas em engenharia que envolvem transferência, transporte e conversão de energia. Isso traduz- se por uma abordagem interdisciplinar transversal à engenharia, termodinâmica, transferência de calor e mecânica de fluidos (Çengel et al., 2017). Dentro dessa ciência, definem-se os fluidos de transferência de calor (*heat transfer fluids* (HTF)) que são os mediadores responsáveis pela absorção, armazenamento e liberação da energia térmica nos processos de engenharia.
-
-
Existem diversos tipos de fluidos térmicos naturais, sintéticos, aditivados ou não, isto é, diversas estratégias são utilizadas para aumentar a eficiência dos processos de transferência de calor nas instalações industriais. A escolha do fluido térmico começa pelas necessidades da instalação e deve ter em conta as propriedades físico químicas dos HTF. A massa específica, calor específico, viscosidade, coeficiente de transferência de calor, pressão de vapor, gama de trabalho, pureza, estabilidade, coeficiente de expansão, ponto de inflamação, temperatura de autoignição, resistência à oxidação, vida do fluido e custo, são exemplos de características para uma tomada de decisão detalhada sobre um fluido de trabalho.
A transferência de calor é fundamental em variadíssimos processos, portanto a apropriada seleção do fluido de transferência de calor é fulcral. Estes são transportadores de energia térmica e mecânica, sendo os mais comuns o ar, água, vapor e óleo. A estes fluidos requer-se, baixa densidade e viscosidade, e alta condutividade térmica (entre muitas, como: não ser corrosivo para o material onde circula e não ter odor forte).
-
-
A geração mais recente de fluidos de transferência de calor são misturas sólido-líquidas ou fluidos de duas fases. Resultado da nanotecnologia, os nanofluidos (NFs) são detentores de uma condutividade térmica superior à anterior. Devem possuir durabilidade, uma suspensão homogénea e estável e não apresentar aglomerados de partículas.
-
-
Aos fluidos térmicos convencionais incluíram-se nanopartículas (NPs), visando melhores propriedades termofísicas. Estas pertencem à gama dos [1,100] nm (Fan & Wang, 2011) podendo ser de vários tipos, como metálicas ou não metálicas, Tabela 1 com as mais usuais, e de diferentes formas nanotubos de carbono (NTCs), nanogotículas e nanofibras. Água, óleo, acetona, deceno, etileno glicol e óleo são os fluidos base (FB) mais correntes.
-
-
<a name="_page2_x82.00_y518.00"></a>Tabela 1. Propriedades termofísicas de nanopartículas comuns e água (como fluido base). Fonte: (Elsaid et al., 2021).
De cima, verifica-se então o aumento da condutividade térmica proveniente da fração de volume de nanopartículas adicionadas à água. É então produzida uma linha superior de fluidos térmicos que tomam propriedades intermédias do fluido base e das nanopartículas constituintes e dependem sobretudo da concentração de sólidos adicionados.
-
-
1. **Parâmetros<a name="_page3_x82.00_y92.00"></a> influenciadores da condutividade térmica**
-
-
Existem vários fatores que podem influenciar a condutividade térmica dos NFs e, portanto, a sua performance energética. Já foram conduzidos bastantes estudos para averiguar os parâmetros para os quais esta grandeza é realmente dependente.
-
-
A fração volumétrica de nanopartículas é a variável com maior efeito no aumento da condutividade térmica traduzindo-se numa relação linear, Figura 1 (Yang et al., 2019a). O aumento é notório quando comparado com valores obtidos para fluidos convencionais.
<a name="_page3_x82.00_y386.00"></a>Figura 1. Condutividade térmica da alumina para diferentes tamanhos de NPs em diferentes frações mássicas às Temperaturas de 10ºC e 50ºC.
-
-
Fonte: (Yang et al., 2019a).
-
-
Quanto ao tamanho das nanopartículas, um aumento deste leva à redução da condutividade térmica (Baheta & Woldeyohannes, 2013) o que é compreensível, uma vez que este parâmetro influencia as colisões entre as partículas. Tal como acontece com a temperatura, em que a sua subida resulta no incremento da condutividade térmica, como ilustra a Figura 2.
<a name="_page3_x82.00_y695.00"></a>Figura 2. Condutividade térmica em função da temperatura para a) SiO2/Etileno glicol e b) SiO2/glicerol.
-
-
Fonte: (Baheta & Woldeyohannes, 2013).
-
-
Esse incremento dá-se para ambos os FB, sílica com etileno glicol e glicerol. Alguns estudos, porém, já tinham mostrado resultados contrários, o que se deveu ao aumento da resistência térmica interfacial (Glory et al., 2008).
-
-
Para a forma das partículas é possível observar,[ Figura 3,](#_page4_x82.00_y591.00) que é um parâmetro dependente da natureza das NPs.
<a name="_page4_x82.00_y591.00"></a>Figura 3. Efeito da forma das NPs na condutividade térmica de NFs. Fonte: (Alawi et al., 2018).
-
-
Por fim, a presença de um campo magnético também provoca um melhoramento da condutividade térmica de NFs como mostra a[ Figura 4.](#_page5_x82.00_y361.00)
<a name="_page5_x82.00_y361.00"></a>Figura 4. Efeito da presença de um campo magnético na condutividade térmica de NFs. Fonte: (Ebrahimi & Saghravani, 2017).
-
-
2. **Preparação<a name="_page5_x82.00_y400.00"></a> dos nanofluidos**
-
-
Segundo Elsaid et al., (2021) a preparação dos NFs pode ocorrer por dois métodos distintos. Por um passo apenas, em que as nanopartículas são formadas e dispersas diretamente no fluido base,
-
-
- que facilita o processo, porém só fluidos de baixa pressão de vapor podem ser utilizados, e a reação que ocorre é incompleta, deixando material por reagir. Os inconvenientes anteriores, fazem deste o método menos utilizado, optando-se por um mais económico: o método por dois passos, no qual as NPs são sintetizadas via hidrotermal ou por métodos sol-gel. Posteriormente, são dispersas no FB com agitação ultrassónica, e é ajustado o pH, seguido de agitação magnética e estabilização, para impedir agregações, o que representa a maior dificuldade deste processamento.
-
-
As combinações de diferentes NPs com vários FB resultam numa possibilidade imensa de NFs, para diversas aplicações.
-
-
3. **Classificação<a name="_page5_x82.00_y575.00"></a> dos nanofluidos**
-
-
Quanto à natureza das nanopartículas, existem NFs metálicos com NPs metálicas suspensas no FB, como Cu, Ag e Au. Como é do senso comum estas partículas detêm um custo elevado, por isso, não são genericamente usadas na indústria. A alternativa económica são NPs de óxidos metálicos como TiO2, FeO4, ZnO e Al2O3, constituindo os nanofluidos mais utilizados. Existem também NFs à base de carbono, que tal como nos primeiros, o preço é o fator limitante da sua utilização à escala industrial. São estes de grafeno, nanotubo de carbono (CNT) e óxido de grafeno (GO), apresentando os segundos uma condutividade muito alta (Yang et al., 2019b).
-
-
Mais recentemente, o leque de NFs estendeu-se aos híbridos, que englobam mais que um tipo de NPs, do qual resultam propriedades térmicas superiores aos NFs com apenas um tipo, contudo a sedimentação é um fator a considerar neste caso. É sobre os NFs híbridos e nas suas propriedades que recaem a maioria das investigações atuais.
-
-
Existe também uma classificação diferente, quanto ao tipo de fluido em que as NPs são suspensas, NFs de base aquosa e não aquosa.
-
-
3. **Exemplos<a name="_page6_x82.00_y138.00"></a> de estudos**
A mistura de água e nanopartículas esféricas de óxido de cobre [(Figura 5)](#_page6_x82.00_y427.00) é um nanofluido bem conhecido na literatura. As NPs de CuO em água aumentam a viscosidade, a massa volúmica e
-
-
- coeficiente de transferência de calor da mistura sólido-líquida. Nageswara Rao & Ravi Sankar, (2019) estudaram os efeitos das NPs de CuO no coeficiente de transferência de calor num permutador de calor em U em função do caudal (8, 10, 12 e 14 L/min) para várias concentrações volumétricas de NPs (0.01%, 0.03% e 0.06%).
<a name="_page6_x82.00_y427.00"></a>Figura 5. Nanofluido de água + CuO.
-
Fonte: Nageswara Rao & Ravi Sankar, (2019)
-
-
Neste estudo foi possível concluir que com o aumento da concentração de NPs e do caudal de NF, aumentou também o coeficiente de transferência de calor, tendo o maior acréscimo sido de 18.6%.
Niwalkar et al., (2019) estudaram o incremento no coeficiente de transferência de calor de nanofluidos de água + SiO2 [(Figura *6*)](#_page7_x82.00_y311.00) em um permutador de calor do tipo carcaça e tubo helicoidal.
<a name="_page7_x82.00_y311.00"></a>Figura 6. Nanofluido de água + SiO2. Fonte: Niwalkar et al., (2019).
-
-
O aparato experimental levou em conta a influência da concentração volumétrica das NPs (0.05, 0.1, 0.15, 0.2 e 0.25) de tamanho médio de 17 nm e o caudal do NF (30, 40 e 50 L/h). O coeficiente de calor aumentou com o aumento do caudal e da concentração das NPs, sendo o máximo valor de aumento registado de 28.71% em relação à água ultrapura.
1. **Saúde<a name="_page7_x82.00_y435.00"></a> e ambiente**
-
-
Os nanofluidos compõem uma subárea de aplicação dos nanomateriais, por isso, carregam todas as dificuldades de análise de risco e segurança de seus produtos para o ser humano, ambiente e animais. Os nanomateriais, especificamente as nanopartículas, têm recebido grande atenção devido às suas potencialidades associadas (alta reatividade, alta razão Área/Volume, versatilidade e efeitos quânticos) e ao gasto reduzido de matérias primas. NPs de prata (Hadrup et al., 2020) e ouro (Grimaldi et al., 2020) já são amplamente usadas em produtos de cosmética uma vez que as suas toxicidades já são bastante conhecidas. De forma geral, os principais componentes de toxicidade das NPs são a composição química macromaterial de origem e o seu tamanho.
-
-
As nanopartículas podem contaminar diversas instâncias ambientais se mal geridas, como solo, aquíferos, rios, oceanos e atmosfera. Desta forma, podem chegar ao corpo humano por inalação, ingestão ou contacto direto [(Figura *7*)](#_page8_x82.00_y249.00). Os efeitos associados à toxicidade das NPs no corpo tèm sido inferidos com testes em animais, nesse sentido, parâmetros como a dose letal, concentração letal e valor limite de exposição têm sido amplamente utilizados. Esses efeitos tendem a ser inflamações, alergias, genotoxicidades, cancerogénicos, alterações no desenvolvimento fetal, danos no tecido nervoso central, sistema reprodutor e imunológico (Hougaard et al., 2011). O mecanismo pelo qual as NPs de TiO2 provocam tais efeitos adversos foi estudado por Hou et al., (2019) que identificou três eventos: geração de espécies reativas de oxigénio, danos à parede celular e peroxidação da membrana celular e ligação das NPs com organelos e macromoléculas presentes no organismo.
<a name="_page8_x82.00_y249.00"></a>Figura 7. Diferentes formas de contaminação por NPs e níveis da sua atuação. Fonte: Mu et al., (2014).
-
-
Portanto, as NPs representam um material bastante promissor de forma geral ao passo que, ampliam o horizonte de possibilidades tecnológicas com menor recurso a matérias primas. Contudo, devem integrar no seu desenvolvimento uma componente de avaliação dos impactos do seu uso para uma melhor gestão de resíduos no futuro (Bystrzejewska-Piotrowska et al., 2009). Dessa forma, os demais produtos que fazem uso de NPs serão mais facilmente tratados como caso dos NFs. Para além disso, os impactos provocados no ambiente pelas NPs ainda não são amplamente conhecidos, bem como os principais fatores de impacto ambiental e a quantidade atual de NPs no ambiente de origem antropogénica. Com isso, ainda são precisos estudos para maior compreensão da influência da carga de NPs nos corpos hídricos, sua dinâmica no ambiente, estabilidade e biodegradabilidade. Nesse sentido, esforços para se usar fluidos de base e matérias primas menos ofensivas têm sido boas estratégias para reduzir a toxicidade e os impactos ambientas das NPs (Elsaid et al., 2021).
Os nanofluidos são carregados de nanopartículas que podem ter grande tendência a depositar- se nas paredes das condutas utilizadas, o que leva a uma diminuição no coeficiente de transferência de calor (Sarafraz et al., 2015). Contudo, a tendência de deposição das NPs nas paredes do tubo, quando se trabalha em alta temperatura, tem efeito positivo para o escoamento, dada a alta viscosidade dos NFs. Isto acontece, pois as NPs depositadas funcionam como um filme que suaviza a rugosidade das paredes como se pode observar na[ Figura 8 ](#_page8_x82.00_y665.00)(Ali et al., 2018).
<a name="_page8_x82.00_y665.00"></a>Figura 8. Efeito de revestimento provocado pela deposição de NPs dos NF nas condutas. Fonte: (Ali et al., 2018).
-
-
3. **Perda<a name="_page9_x82.00_y71.00"></a> de carga**
-
-
Um dos efeitos da suspensão de NPs nos fluidos base para a formação dos NF é o aumento da viscosidade. Isso pode ser prejudicial para a performance em termos de custo de operação para processos que façam uso de NFs. Ko et al., (2007) estudaram o coeficiente de atrito e a viscosidade de NFs compostos por nanotubos de carbono e água num tubo horizontal,[ Figura *9*,](#_page9_x82.00_y345.00) com diferentes características superficiais.
<a name="_page9_x82.00_y345.00"></a>Figura 9. Imagem TEM dos nanotubos. Fonte: Ko et al., (2007).
-
-
Pela análise da[ Figura *10*,](#_page9_x82.00_y610.00) a viscosidade do NF chegou a duas ordens de grandeza a mais que a água ultrapura para a maior concentração de nanotubos e mostrou um comportamento decrescente com o aumento da velocidade de corte.
<a name="_page9_x82.00_y610.00"></a>Figura 10. Viscosidade de diferentes concentrações de NTCs em água em função da velocidade de corte. Fonte: Ko et al., (2007).
-
-
O coeficiente de atrito, por consequência, também foi maior para concentrações maiores de NTCs ao passo que, para caudais maiores, foi possível alcançar níveis de coeficiente de atrito menores que da água ultrapura. Portanto, a perda de carga é um problema para estes sistemas, mas existe margem para otimização desse componente com base no material utilizado para as NPs, o seu método de síntese e o tratamento superficial que lhes é dado.
A estabilidade dos NFs é maioritariamente analisada com base na teoria DLVO, baseada nas forças de atração e repulsão entre as NPs [(Figura *11*)](#_page10_x82.00_y319.00), cuja sigla se refere às iniciais dos nomes dos seus desenvolvedores, Derjaguin, Landau, Vewey e Overbeek.
<a name="_page10_x82.00_y319.00"></a>Figura 11. Energia total do sistema a partir da análise das forças atrativas e repulsivas. Fonte: (Adair et al., 2001).
-
-
A instabilidade dos NFs ao longo do tempo é fator crítico para a sua não utilização na indústria. A estabilidade dos NFs é função do método de preparação e das condições de operação como a temperatura, pressão, isolamento, composição, salinidade, campo magnético externo e velocidade de corte. Segundo a literatura, a dependência da estabilidade dos NFs em relação a essas características pode levar a fluidos de trabalho com estabilidade de 2 até 1800 h (Chakraborty & Panigrahi, 2020).
-
-
A estabilidade dos NFs pode ser acompanhada com o auxílio de vários métodos como, potencial zeta, sedimentação, centrifugação, UV VIS, método ω (avaliar o crescimento do coeficiente de transferência de calor em função da aglomeração das NPs) e microscopia eletrónica. Algumas estratégias conhecidas para aumentar a estabilidade dos NFs são a adição de surfactantes, modificações superficiais das NPs, controlo de pH, agitação supersónica, estabilização eletrostática e estérea (Mukherjee, 2013).
Adair, J. H., Suvaci, E., & Sindel, J. (2001). Surface and Colloid Chemistry. In *Encyclopedia of*
-
-
*Materials: Science and Technology* (pp. 1–10). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b0-08- 043152-6/01622-3
-
-
Alawi, O. A., Sidik, N. A. C., Xian, H. W., Kean, T. H., & Kazi, S. N. (2018). Thermal conductivity
-
-
and viscosity models of metallic oxides nanofluids. *International Journal of Heat and Mass Transfer*, *116*, 1314–1325. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.133
-
-
Ali, N., Teixeira, J. A., & Addali, A. (2018). A Review on Nanofluids: Fabrication, Stability, and
-
-
Thermophysical Properties. *Journal of Nanomaterials*, *2018*. https://doi.org/10.1155/2018/6978130
-
-
Baheta, A. T., & Woldeyohannes, A. D. (2013). Effect of particle size on effective thermal
-
-
conductivity of nanofluids. *Asian Journal of Scientific Research*, *6*(2), 339–345. https://doi.org/10.3923/ajsr.2013.339.345
-
-
Bystrzejewska-Piotrowska, G., Golimowski, J., & Urban, P. L. (2009). Nanoparticles: Their
Ebrahimi, S., & Saghravani, S. F. (2017). Influence of magnetic field on the thermal conductivity of
-
-
the water based mixed Fe3O4/CuO nanofluid. *Journal of Magnetism and Magnetic Materials*, *441*, 366–373. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.05.090
-
-
Elsaid, K., Olabi, A. G., Wilberforce, T., Abdelkareem, M. A., & Sayed, E. T. (2021).
-
-
Environmental impacts of nanofluids: A review. *Science of the Total Environment*, *763*. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144202
-
-
Fan, J., & Wang, L. (2011). Review of Heat Conduction in Nanofluids. *Journal of Heat Transfer*,
-
-
*133*(4). https://doi.org/10.1115/1.4002633
-
-
Glory, J., Bonetti, M., Helezen, M., Mayne-L’Hermite, M., & Reynaud, C. (2008). Thermal and
-
-
electrical conductivities of water-based nanofluids prepared with long multiwalled carbon nanotubes. *Journal of Applied Physics*, *103*(9). https://doi.org/10.1063/1.2908229
-
-
Grimaldi, F., Pucciarelli, M., Gavriilidis, A., Dobson, P., & Lettieri, P. (2020). Anticipatory life
-
-
cycle assessment of gold nanoparticles production: Comparison of milli-continuous flow and batch synthesis. *Journal of Cleaner Production*, *269*, 122335. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122335
-
-
Hadrup, N., Sharma, A. K., Loeschner, K., & Jacobsen, N. R. (2020). Pulmonary toxicity of silver
-
-
vapours, nanoparticles and fine dusts: A review. *Regulatory Toxicology and Pharmacology*, *115*(May). https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2020.104690
mechanisms of action of titanium dioxide nanoparticles in living organisms. *Journal of Environmental Sciences (China)*, *75*(Shiguo Li), 40–53. https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.06.010
-
-
Hougaard, K. S., Fadeel, B., Gulumian, M., Kagan, V. E., & Savolainen, K. M. (2011).
-
-
Developmental Toxicity of Engineered Nanoparticles. In *Reproductive and Developmental Toxicology* (pp. 269–290). Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-382032-7.10021-9
-
-
Ko, G. H., Heo, K., Lee, K., Kim, D. S., Kim, C., Sohn, Y., & Choi, M. (2007). An experimental
-
-
study on the pressure drop of nanofluids containing carbon nanotubes in a horizontal tube. *International Journal of Heat and Mass Transfer*, *50*(23–24), 4749–4753. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.03.029
-
-
Mu, Q., Jiang, G., Chen, L., Zhou, H., Fourches, D., Tropsha, A., & Yan, B. (2014). Chemical basis
-
-
of interactions between engineered nanoparticles and biological systems. *Chemical Reviews*, *114*(15), 7740–7781. https://doi.org/10.1021/cr400295a
-
-
Mukherjee, S. (2013). Preparation and Stability of Nanofluids-A Review. *IOSR Journal of*
-
-
*Mechanical and Civil Engineering*, *9*(2), 63–69. https://doi.org/10.9790/1684-0926369
-
-
Nageswara Rao, V., & Ravi Sankar, B. (2019). Heat transfer and friction factor investigations of
-
-
CuO nanofluid flow in a double pipe U-bend heat exchanger. *Materials Today: Proceedings*, *18*, 207–218. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.294
-
-
Niwalkar, A. F., Kshirsagar, J. M., & Kulkarni, K. (2019). Experimental investigation of heat
-
-
transfer enhancement in shell and helically coiled tube heat exchanger using SiO2/ water nanofluids. *Materials Today: Proceedings*, *18*, 947–962. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.532
-
-
Sarafraz, M. M., Hormozi, F., & Peyghambarzadeh, S. M. (2015). Role of nanofluid fouling on
-
-
thermal performance of a thermosyphon: Are nanofluids reliable working fluid? *Applied Thermal Engineering*, *82*, 212–224. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.02.070
-
-
Yang, L., Ji, W., Huang, J. nan, & Xu, G. (2019a). An updated review on the influential parameters
-
-
on thermal conductivity of nano-fluids. *Journal of Molecular Liquids*, *296*. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111780
-
-
Yang, L., Ji, W., Huang, J. nan, & Xu, G. (2019b). An updated review on the influential parameters
-
-
on thermal conductivity of nano-fluids. *Journal of Molecular Liquids*, *296*. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111780
[Índice ................................................................................................................................................................... i ](#_page1_x82.00_y71.00)[Lista de Figuras ................................................................................................................................................... i ](#_page1_x82.00_y422.00)[Lista de Tabelas ................................................................................................................................................... i ](#_page1_x82.00_y613.00)
<a name="_page1_x82.00_y422.00"></a>**Lista de Figuras**
+
+
[Figura 1. Condutividade térmica da alumina para diferentes tamanhos de NPs em diferentes frações mássicas às Temperaturas de 10ºC e 50ºC......................................................................................................................... 2 ](#_page3_x82.00_y386.00)[Figura 2. Condutividade térmica em função da temperatura para a) SiO2/Etileno glicol e b) SiO2/glicerol. .... 2 ](#_page3_x82.00_y695.00)[Figura 3. Efeito da forma das NPs na condutividade térmica de NFs. ............................................................... 3 ](#_page4_x82.00_y591.00)[Figura 4. Efeito da presença de um campo magnético na condutividade térmica de NFs. ................................. 4 ](#_page5_x82.00_y361.00)[Figura 5. Nanofluido de água + CuO. ................................................................................................................ 5 ](#_page6_x82.00_y427.00)[Figura 6. Nanofluido de água + SiO2. ................................................................................................................ 6 ](#_page7_x82.00_y311.00)[Figura 7. Diferentes formas de contaminação por NPs e níveis da sua atuação. ................................................ 7 ](#_page8_x82.00_y249.00)[Figura 8. Efeito de revestimento provocado pela deposição de NPs dos NF nas condutas. ............................... 7 ](#_page8_x82.00_y665.00)[Figura 9. Imagem TEM dos nanotubos. ............................................................................................................. 8 ](#_page9_x82.00_y345.00)[Figura 10. Viscosidade de diferentes concentrações de NTCs em água em função da velocidade de corte. ..... 8 ](#_page9_x82.00_y610.00)[Figura 11. Energia total do sistema a partir da análise das forças atrativas e repulsivas. ................................... 9 ](#_page10_x82.00_y319.00)
+
+
<a name="_page1_x82.00_y613.00"></a>**Lista de Tabelas**
+
+
[Tabela 1. Propriedades termofísicas de nanopartículas comuns e água (como fluido base)............................... 1 ](#_page2_x82.00_y518.00)
O termo fluidos térmicos (*thermal fluids*) pode ser entendido como a ciência que estuda os sistemas em engenharia que envolvem transferência, transporte e conversão de energia. Isso traduz- se por uma abordagem interdisciplinar transversal à engenharia, termodinâmica, transferência de calor e mecânica de fluidos (Çengel et al., 2017). Dentro dessa ciência, definem-se os fluidos de transferência de calor (*heat transfer fluids* (HTF)) que são os mediadores responsáveis pela absorção, armazenamento e liberação da energia térmica nos processos de engenharia.
+
+
Existem diversos tipos de fluidos térmicos naturais, sintéticos, aditivados ou não, isto é, diversas estratégias são utilizadas para aumentar a eficiência dos processos de transferência de calor nas instalações industriais. A escolha do fluido térmico começa pelas necessidades da instalação e deve ter em conta as propriedades físico químicas dos HTF. A massa específica, calor específico, viscosidade, coeficiente de transferência de calor, pressão de vapor, gama de trabalho, pureza, estabilidade, coeficiente de expansão, ponto de inflamação, temperatura de autoignição, resistência à oxidação, vida do fluido e custo, são exemplos de características para uma tomada de decisão detalhada sobre um fluido de trabalho.
A transferência de calor é fundamental em variadíssimos processos, portanto a apropriada seleção do fluido de transferência de calor é fulcral. Estes são transportadores de energia térmica e mecânica, sendo os mais comuns o ar, água, vapor e óleo. A estes fluidos requer-se, baixa densidade e viscosidade, e alta condutividade térmica (entre muitas, como: não ser corrosivo para o material onde circula e não ter odor forte).
+
+
A geração mais recente de fluidos de transferência de calor são misturas sólido-líquidas ou fluidos de duas fases. Resultado da nanotecnologia, os nanofluidos (NFs) são detentores de uma condutividade térmica superior à anterior. Devem possuir durabilidade, uma suspensão homogénea e estável e não apresentar aglomerados de partículas.
+
+
Aos fluidos térmicos convencionais incluíram-se nanopartículas (NPs), visando melhores propriedades termofísicas. Estas pertencem à gama dos [1,100] nm (Fan & Wang, 2011) podendo ser de vários tipos, como metálicas ou não metálicas, Tabela 1 com as mais usuais, e de diferentes formas nanotubos de carbono (NTCs), nanogotículas e nanofibras. Água, óleo, acetona, deceno, etileno glicol e óleo são os fluidos base (FB) mais correntes.
+
+
<a name="_page2_x82.00_y518.00"></a>Tabela 1. Propriedades termofísicas de nanopartículas comuns e água (como fluido base). Fonte: (Elsaid et al., 2021).
De cima, verifica-se então o aumento da condutividade térmica proveniente da fração de volume de nanopartículas adicionadas à água. É então produzida uma linha superior de fluidos térmicos que tomam propriedades intermédias do fluido base e das nanopartículas constituintes e dependem sobretudo da concentração de sólidos adicionados.
+
+
1. **Parâmetros<a name="_page3_x82.00_y92.00"></a> influenciadores da condutividade térmica**
+
+
Existem vários fatores que podem influenciar a condutividade térmica dos NFs e, portanto, a sua performance energética. Já foram conduzidos bastantes estudos para averiguar os parâmetros para os quais esta grandeza é realmente dependente.
+
+
A fração volumétrica de nanopartículas é a variável com maior efeito no aumento da condutividade térmica traduzindo-se numa relação linear, Figura 1 (Yang et al., 2019a). O aumento é notório quando comparado com valores obtidos para fluidos convencionais.
<a name="_page3_x82.00_y386.00"></a>Figura 1. Condutividade térmica da alumina para diferentes tamanhos de NPs em diferentes frações mássicas às Temperaturas de 10ºC e 50ºC.
+
+
Fonte: (Yang et al., 2019a).
+
+
Quanto ao tamanho das nanopartículas, um aumento deste leva à redução da condutividade térmica (Baheta & Woldeyohannes, 2013) o que é compreensível, uma vez que este parâmetro influencia as colisões entre as partículas. Tal como acontece com a temperatura, em que a sua subida resulta no incremento da condutividade térmica, como ilustra a Figura 2.
<a name="_page3_x82.00_y695.00"></a>Figura 2. Condutividade térmica em função da temperatura para a) SiO2/Etileno glicol e b) SiO2/glicerol.
+
+
Fonte: (Baheta & Woldeyohannes, 2013).
+
+
Esse incremento dá-se para ambos os FB, sílica com etileno glicol e glicerol. Alguns estudos, porém, já tinham mostrado resultados contrários, o que se deveu ao aumento da resistência térmica interfacial (Glory et al., 2008).
+
+
Para a forma das partículas é possível observar,[ Figura 3,](#_page4_x82.00_y591.00) que é um parâmetro dependente da natureza das NPs.
<a name="_page4_x82.00_y591.00"></a>Figura 3. Efeito da forma das NPs na condutividade térmica de NFs. Fonte: (Alawi et al., 2018).
+
+
Por fim, a presença de um campo magnético também provoca um melhoramento da condutividade térmica de NFs como mostra a[ Figura 4.](#_page5_x82.00_y361.00)
<a name="_page5_x82.00_y361.00"></a>Figura 4. Efeito da presença de um campo magnético na condutividade térmica de NFs. Fonte: (Ebrahimi & Saghravani, 2017).
+
+
2. **Preparação<a name="_page5_x82.00_y400.00"></a> dos nanofluidos**
+
+
Segundo Elsaid et al., (2021) a preparação dos NFs pode ocorrer por dois métodos distintos. Por um passo apenas, em que as nanopartículas são formadas e dispersas diretamente no fluido base,
+
+
- que facilita o processo, porém só fluidos de baixa pressão de vapor podem ser utilizados, e a reação que ocorre é incompleta, deixando material por reagir. Os inconvenientes anteriores, fazem deste o método menos utilizado, optando-se por um mais económico: o método por dois passos, no qual as NPs são sintetizadas via hidrotermal ou por métodos sol-gel. Posteriormente, são dispersas no FB com agitação ultrassónica, e é ajustado o pH, seguido de agitação magnética e estabilização, para impedir agregações, o que representa a maior dificuldade deste processamento.
+
+
As combinações de diferentes NPs com vários FB resultam numa possibilidade imensa de NFs, para diversas aplicações.
+
+
3. **Classificação<a name="_page5_x82.00_y575.00"></a> dos nanofluidos**
+
+
Quanto à natureza das nanopartículas, existem NFs metálicos com NPs metálicas suspensas no FB, como Cu, Ag e Au. Como é do senso comum estas partículas detêm um custo elevado, por isso, não são genericamente usadas na indústria. A alternativa económica são NPs de óxidos metálicos como TiO2, FeO4, ZnO e Al2O3, constituindo os nanofluidos mais utilizados. Existem também NFs à base de carbono, que tal como nos primeiros, o preço é o fator limitante da sua utilização à escala industrial. São estes de grafeno, nanotubo de carbono (CNT) e óxido de grafeno (GO), apresentando os segundos uma condutividade muito alta (Yang et al., 2019b).
+
+
Mais recentemente, o leque de NFs estendeu-se aos híbridos, que englobam mais que um tipo de NPs, do qual resultam propriedades térmicas superiores aos NFs com apenas um tipo, contudo a sedimentação é um fator a considerar neste caso. É sobre os NFs híbridos e nas suas propriedades que recaem a maioria das investigações atuais.
+
+
Existe também uma classificação diferente, quanto ao tipo de fluido em que as NPs são suspensas, NFs de base aquosa e não aquosa.
+
+
3. **Exemplos<a name="_page6_x82.00_y138.00"></a> de estudos**
A mistura de água e nanopartículas esféricas de óxido de cobre [(Figura 5)](#_page6_x82.00_y427.00) é um nanofluido bem conhecido na literatura. As NPs de CuO em água aumentam a viscosidade, a massa volúmica e
+
+
- coeficiente de transferência de calor da mistura sólido-líquida. Nageswara Rao & Ravi Sankar, (2019) estudaram os efeitos das NPs de CuO no coeficiente de transferência de calor num permutador de calor em U em função do caudal (8, 10, 12 e 14 L/min) para várias concentrações volumétricas de NPs (0.01%, 0.03% e 0.06%).
<a name="_page6_x82.00_y427.00"></a>Figura 5. Nanofluido de água + CuO.
+
Fonte: Nageswara Rao & Ravi Sankar, (2019)
+
+
Neste estudo foi possível concluir que com o aumento da concentração de NPs e do caudal de NF, aumentou também o coeficiente de transferência de calor, tendo o maior acréscimo sido de 18.6%.
Niwalkar et al., (2019) estudaram o incremento no coeficiente de transferência de calor de nanofluidos de água + SiO2 [(Figura *6*)](#_page7_x82.00_y311.00) em um permutador de calor do tipo carcaça e tubo helicoidal.
<a name="_page7_x82.00_y311.00"></a>Figura 6. Nanofluido de água + SiO2. Fonte: Niwalkar et al., (2019).
+
+
O aparato experimental levou em conta a influência da concentração volumétrica das NPs (0.05, 0.1, 0.15, 0.2 e 0.25) de tamanho médio de 17 nm e o caudal do NF (30, 40 e 50 L/h). O coeficiente de calor aumentou com o aumento do caudal e da concentração das NPs, sendo o máximo valor de aumento registado de 28.71% em relação à água ultrapura.
1. **Saúde<a name="_page7_x82.00_y435.00"></a> e ambiente**
+
+
Os nanofluidos compõem uma subárea de aplicação dos nanomateriais, por isso, carregam todas as dificuldades de análise de risco e segurança de seus produtos para o ser humano, ambiente e animais. Os nanomateriais, especificamente as nanopartículas, têm recebido grande atenção devido às suas potencialidades associadas (alta reatividade, alta razão Área/Volume, versatilidade e efeitos quânticos) e ao gasto reduzido de matérias primas. NPs de prata (Hadrup et al., 2020) e ouro (Grimaldi et al., 2020) já são amplamente usadas em produtos de cosmética uma vez que as suas toxicidades já são bastante conhecidas. De forma geral, os principais componentes de toxicidade das NPs são a composição química macromaterial de origem e o seu tamanho.
+
+
As nanopartículas podem contaminar diversas instâncias ambientais se mal geridas, como solo, aquíferos, rios, oceanos e atmosfera. Desta forma, podem chegar ao corpo humano por inalação, ingestão ou contacto direto [(Figura *7*)](#_page8_x82.00_y249.00). Os efeitos associados à toxicidade das NPs no corpo tèm sido inferidos com testes em animais, nesse sentido, parâmetros como a dose letal, concentração letal e valor limite de exposição têm sido amplamente utilizados. Esses efeitos tendem a ser inflamações, alergias, genotoxicidades, cancerogénicos, alterações no desenvolvimento fetal, danos no tecido nervoso central, sistema reprodutor e imunológico (Hougaard et al., 2011). O mecanismo pelo qual as NPs de TiO2 provocam tais efeitos adversos foi estudado por Hou et al., (2019) que identificou três eventos: geração de espécies reativas de oxigénio, danos à parede celular e peroxidação da membrana celular e ligação das NPs com organelos e macromoléculas presentes no organismo.
<a name="_page8_x82.00_y249.00"></a>Figura 7. Diferentes formas de contaminação por NPs e níveis da sua atuação. Fonte: Mu et al., (2014).
+
+
Portanto, as NPs representam um material bastante promissor de forma geral ao passo que, ampliam o horizonte de possibilidades tecnológicas com menor recurso a matérias primas. Contudo, devem integrar no seu desenvolvimento uma componente de avaliação dos impactos do seu uso para uma melhor gestão de resíduos no futuro (Bystrzejewska-Piotrowska et al., 2009). Dessa forma, os demais produtos que fazem uso de NPs serão mais facilmente tratados como caso dos NFs. Para além disso, os impactos provocados no ambiente pelas NPs ainda não são amplamente conhecidos, bem como os principais fatores de impacto ambiental e a quantidade atual de NPs no ambiente de origem antropogénica. Com isso, ainda são precisos estudos para maior compreensão da influência da carga de NPs nos corpos hídricos, sua dinâmica no ambiente, estabilidade e biodegradabilidade. Nesse sentido, esforços para se usar fluidos de base e matérias primas menos ofensivas têm sido boas estratégias para reduzir a toxicidade e os impactos ambientas das NPs (Elsaid et al., 2021).
Os nanofluidos são carregados de nanopartículas que podem ter grande tendência a depositar- se nas paredes das condutas utilizadas, o que leva a uma diminuição no coeficiente de transferência de calor (Sarafraz et al., 2015). Contudo, a tendência de deposição das NPs nas paredes do tubo, quando se trabalha em alta temperatura, tem efeito positivo para o escoamento, dada a alta viscosidade dos NFs. Isto acontece, pois as NPs depositadas funcionam como um filme que suaviza a rugosidade das paredes como se pode observar na[ Figura 8 ](#_page8_x82.00_y665.00)(Ali et al., 2018).
<a name="_page8_x82.00_y665.00"></a>Figura 8. Efeito de revestimento provocado pela deposição de NPs dos NF nas condutas. Fonte: (Ali et al., 2018).
+
+
3. **Perda<a name="_page9_x82.00_y71.00"></a> de carga**
+
+
Um dos efeitos da suspensão de NPs nos fluidos base para a formação dos NF é o aumento da viscosidade. Isso pode ser prejudicial para a performance em termos de custo de operação para processos que façam uso de NFs. Ko et al., (2007) estudaram o coeficiente de atrito e a viscosidade de NFs compostos por nanotubos de carbono e água num tubo horizontal,[ Figura *9*,](#_page9_x82.00_y345.00) com diferentes características superficiais.
<a name="_page9_x82.00_y345.00"></a>Figura 9. Imagem TEM dos nanotubos. Fonte: Ko et al., (2007).
+
+
Pela análise da[ Figura *10*,](#_page9_x82.00_y610.00) a viscosidade do NF chegou a duas ordens de grandeza a mais que a água ultrapura para a maior concentração de nanotubos e mostrou um comportamento decrescente com o aumento da velocidade de corte.
<a name="_page9_x82.00_y610.00"></a>Figura 10. Viscosidade de diferentes concentrações de NTCs em água em função da velocidade de corte. Fonte: Ko et al., (2007).
+
+
O coeficiente de atrito, por consequência, também foi maior para concentrações maiores de NTCs ao passo que, para caudais maiores, foi possível alcançar níveis de coeficiente de atrito menores que da água ultrapura. Portanto, a perda de carga é um problema para estes sistemas, mas existe margem para otimização desse componente com base no material utilizado para as NPs, o seu método de síntese e o tratamento superficial que lhes é dado.
A estabilidade dos NFs é maioritariamente analisada com base na teoria DLVO, baseada nas forças de atração e repulsão entre as NPs [(Figura *11*)](#_page10_x82.00_y319.00), cuja sigla se refere às iniciais dos nomes dos seus desenvolvedores, Derjaguin, Landau, Vewey e Overbeek.
<a name="_page10_x82.00_y319.00"></a>Figura 11. Energia total do sistema a partir da análise das forças atrativas e repulsivas. Fonte: (Adair et al., 2001).
+
+
A instabilidade dos NFs ao longo do tempo é fator crítico para a sua não utilização na indústria. A estabilidade dos NFs é função do método de preparação e das condições de operação como a temperatura, pressão, isolamento, composição, salinidade, campo magnético externo e velocidade de corte. Segundo a literatura, a dependência da estabilidade dos NFs em relação a essas características pode levar a fluidos de trabalho com estabilidade de 2 até 1800 h (Chakraborty & Panigrahi, 2020).
+
+
A estabilidade dos NFs pode ser acompanhada com o auxílio de vários métodos como, potencial zeta, sedimentação, centrifugação, UV VIS, método ω (avaliar o crescimento do coeficiente de transferência de calor em função da aglomeração das NPs) e microscopia eletrónica. Algumas estratégias conhecidas para aumentar a estabilidade dos NFs são a adição de surfactantes, modificações superficiais das NPs, controlo de pH, agitação supersónica, estabilização eletrostática e estérea (Mukherjee, 2013).
Adair, J. H., Suvaci, E., & Sindel, J. (2001). Surface and Colloid Chemistry. In *Encyclopedia of*
+
+
*Materials: Science and Technology* (pp. 1–10). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b0-08- 043152-6/01622-3
+
+
Alawi, O. A., Sidik, N. A. C., Xian, H. W., Kean, T. H., & Kazi, S. N. (2018). Thermal conductivity
+
+
and viscosity models of metallic oxides nanofluids. *International Journal of Heat and Mass Transfer*, *116*, 1314–1325. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.133
+
+
Ali, N., Teixeira, J. A., & Addali, A. (2018). A Review on Nanofluids: Fabrication, Stability, and
+
+
Thermophysical Properties. *Journal of Nanomaterials*, *2018*. https://doi.org/10.1155/2018/6978130
+
+
Baheta, A. T., & Woldeyohannes, A. D. (2013). Effect of particle size on effective thermal
+
+
conductivity of nanofluids. *Asian Journal of Scientific Research*, *6*(2), 339–345. https://doi.org/10.3923/ajsr.2013.339.345
+
+
Bystrzejewska-Piotrowska, G., Golimowski, J., & Urban, P. L. (2009). Nanoparticles: Their
Ebrahimi, S., & Saghravani, S. F. (2017). Influence of magnetic field on the thermal conductivity of
+
+
the water based mixed Fe3O4/CuO nanofluid. *Journal of Magnetism and Magnetic Materials*, *441*, 366–373. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.05.090
+
+
Elsaid, K., Olabi, A. G., Wilberforce, T., Abdelkareem, M. A., & Sayed, E. T. (2021).
+
+
Environmental impacts of nanofluids: A review. *Science of the Total Environment*, *763*. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144202
+
+
Fan, J., & Wang, L. (2011). Review of Heat Conduction in Nanofluids. *Journal of Heat Transfer*,
+
+
*133*(4). https://doi.org/10.1115/1.4002633
+
+
Glory, J., Bonetti, M., Helezen, M., Mayne-L’Hermite, M., & Reynaud, C. (2008). Thermal and
+
+
electrical conductivities of water-based nanofluids prepared with long multiwalled carbon nanotubes. *Journal of Applied Physics*, *103*(9). https://doi.org/10.1063/1.2908229
+
+
Grimaldi, F., Pucciarelli, M., Gavriilidis, A., Dobson, P., & Lettieri, P. (2020). Anticipatory life
+
+
cycle assessment of gold nanoparticles production: Comparison of milli-continuous flow and batch synthesis. *Journal of Cleaner Production*, *269*, 122335. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122335
+
+
Hadrup, N., Sharma, A. K., Loeschner, K., & Jacobsen, N. R. (2020). Pulmonary toxicity of silver
+
+
vapours, nanoparticles and fine dusts: A review. *Regulatory Toxicology and Pharmacology*, *115*(May). https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2020.104690
mechanisms of action of titanium dioxide nanoparticles in living organisms. *Journal of Environmental Sciences (China)*, *75*(Shiguo Li), 40–53. https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.06.010
+
+
Hougaard, K. S., Fadeel, B., Gulumian, M., Kagan, V. E., & Savolainen, K. M. (2011).
+
+
Developmental Toxicity of Engineered Nanoparticles. In *Reproductive and Developmental Toxicology* (pp. 269–290). Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-382032-7.10021-9
+
+
Ko, G. H., Heo, K., Lee, K., Kim, D. S., Kim, C., Sohn, Y., & Choi, M. (2007). An experimental
+
+
study on the pressure drop of nanofluids containing carbon nanotubes in a horizontal tube. *International Journal of Heat and Mass Transfer*, *50*(23–24), 4749–4753. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.03.029
+
+
Mu, Q., Jiang, G., Chen, L., Zhou, H., Fourches, D., Tropsha, A., & Yan, B. (2014). Chemical basis
+
+
of interactions between engineered nanoparticles and biological systems. *Chemical Reviews*, *114*(15), 7740–7781. https://doi.org/10.1021/cr400295a
+
+
Mukherjee, S. (2013). Preparation and Stability of Nanofluids-A Review. *IOSR Journal of*
+
+
*Mechanical and Civil Engineering*, *9*(2), 63–69. https://doi.org/10.9790/1684-0926369
+
+
Nageswara Rao, V., & Ravi Sankar, B. (2019). Heat transfer and friction factor investigations of
+
+
CuO nanofluid flow in a double pipe U-bend heat exchanger. *Materials Today: Proceedings*, *18*, 207–218. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.294
+
+
Niwalkar, A. F., Kshirsagar, J. M., & Kulkarni, K. (2019). Experimental investigation of heat
+
+
transfer enhancement in shell and helically coiled tube heat exchanger using SiO2/ water nanofluids. *Materials Today: Proceedings*, *18*, 947–962. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.532
+
+
Sarafraz, M. M., Hormozi, F., & Peyghambarzadeh, S. M. (2015). Role of nanofluid fouling on
+
+
thermal performance of a thermosyphon: Are nanofluids reliable working fluid? *Applied Thermal Engineering*, *82*, 212–224. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.02.070
+
+
Yang, L., Ji, W., Huang, J. nan, & Xu, G. (2019a). An updated review on the influential parameters
+
+
on thermal conductivity of nano-fluids. *Journal of Molecular Liquids*, *296*. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111780
+
+
Yang, L., Ji, W., Huang, J. nan, & Xu, G. (2019b). An updated review on the influential parameters
+
+
on thermal conductivity of nano-fluids. *Journal of Molecular Liquids*, *296*. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111780
