Otimizando o fluxo de troca de calor em microgravidade

31 de julho de 2023

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pela NASA

Aviões, trens, automóveis… e naves espaciais. Embora todas estas quatro inovações nos transportes dependam do combustível para obter energia, outro componente importante é a gestão térmica. Sem controlar a distribuição e o fluxo de calor dentro de um sistema, como a Estação Espacial Internacional e outras naves espaciais comerciais, as temperaturas dentro das naves não seriam habitáveis ​​para os astronautas, dadas as temperaturas extremamente quentes e frias do espaço exterior.

Esta questão complexa é apenas um dos muitos desafios que estão sendo investigados pelos pesquisadores de Ciências Físicas da NASA no Glenn Research Center por meio do Flow Boiling and Condensation Experiment (FBCE).

Espera-se que as descobertas do Módulo de Condensação para Transferência de Calor (CM-HT) do FBCE desempenhem um papel vital no projeto de futuros sistemas espaciais e terrestres. Isso inclui geração de energia espacial, habitat planetário, controle de temperatura de veículos espaciais, armazenamento de fluidos criogênicos, gerenciamento de resíduos, carregamento de veículos elétricos, resfriamento de aviões de combate sob diferentes cargas G e células de combustível regenerativas.

Os objetivos científicos do CM-HT visam gerar um banco de dados em condensação de fluxo que será utilizado para avaliar a transferência de calor de condensação em microgravidade, bem como desenvolver critérios para independência da gravidade da condensação de fluxo. Tais critérios serão utilizados para projetar condensadores de fluxo eficientes para aplicações espaciais. Modelos preditivos matemáticos de condensação de fluxo, modelos de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e correlações de projeto serão desenvolvidos para aplicações de projeto.

O FBCE servirá como plataforma primária para a obtenção de dados de ebulição de fluxo bifásico e transferência de calor de condensação em microgravidade. O módulo de teste CM-HT apresentará um tubo de aço inoxidável de parede fina posicionado concentricamente ao longo de outro canal cilíndrico formado em um material altamente isolante térmico.

O vapor do fluido de teste fluirá através do tubo interno e condensará rejeitando o calor para um contrafluxo de água através do anel. A baixa condutividade térmica da parede externa do canal garantirá que todo o calor seja transferido entre os dois fluidos. Devido à sua baixa condutividade térmica em comparação com outros metais, o aço inoxidável minimiza os efeitos de condução axial, permitindo principalmente a transferência de calor radial entre os fluidos.

Ao comparar os dados de transferência de calor por microgravidade com os dados obtidos na gravidade da Terra, será possível determinar a influência das forças corporais nos fenômenos de transporte bifásico na busca de modelos mecanísticos, bem como de correlações, e ajudar a determinar os critérios de fluxo mínimo para garantir ebulição e condensação de fluxo independente da gravidade.

O fluxo bifásico de baixa velocidade na microgravidade apresenta sérios desafios não comumente encontrados na gravidade da Terra. À medida que o nível de gravidade é reduzido, um novo equilíbrio entra em jogo entre as forças inerciais, a tensão superficial e o corpo, de modo que a mecânica básica da estrutura interfacial do fluxo muda drasticamente. Para estudar esses efeitos, a instalação FBCE foi instalada no laboratório orbital ISS Fluid Integrated Rack (FIR), que oferece um excelente ambiente de microgravidade para pesquisas de fluxo de duas fases.

A ebulição e a condensação do fluxo foram identificadas como dois mecanismos principais para o transporte de calor que são vitais para alcançar a redução de peso e volume, bem como a melhoria do desempenho em futuros sistemas espaciais. Os resultados desta investigação apoiarão, em última análise, a otimização do projeto de caldeiras e condensadores de fluxo para utilização em missões de longa duração com alta demanda de energia no ambiente de microgravidade. Caldeiras e condensadores eficientes resultam no uso eficiente de energia em missões de longa duração. Dado que os sistemas espaciais operam com um orçamento de energia limitado, impor restrições rigorosas à energia disponível beneficiará adicionalmente a conservação de energia das missões.