13º ENCIT 13º ENCIT – Congresso Brasileiro de ... - LEPTEN - UFSC
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<strong>13º</strong> <strong>ENCIT</strong> <strong>–</strong> <strong>Congresso</strong> <strong>Brasileiro</strong> <strong>de</strong> Engenharia<br />
e Ciências Térmicas<br />
UFU UFU-Uberlândia<br />
Uberlândia - MG, 05 a 09 <strong>de</strong> <strong>de</strong>zembro <strong>de</strong> 2010<br />
FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES DE<br />
TRANSFERÊNCIA DE CALOR COM MUDANÇA DE<br />
FASE: EBULIÇÃO E CONDENSAÇÃO<br />
CONDENSAÇÃO<br />
(4ª aula)<br />
Júlio César Passos<br />
jpassos@emc.ufsc.br<br />
http://energetique-juliocesarpassos.blogspot.com<br />
Universida<strong>de</strong> Fe<strong>de</strong>ral <strong>de</strong> Santa Catarina<br />
Centro Tecnológico - Departamento <strong>de</strong> Engenharia Mecânica<br />
<strong>LEPTEN</strong>/Boiling<br />
Laboratórios <strong>de</strong> Engenharia <strong>de</strong> Processos <strong>de</strong> Conversão e Tecnologia <strong>de</strong> Energia
• Aplicações<br />
Plano da aula<br />
• Aspectos históricos sobre a con<strong>de</strong>nsação<br />
• Tipos <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsação<br />
• Con<strong>de</strong>nsação em película <strong>–</strong> mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong><br />
Nusselt<br />
• Exemplo resolvido<br />
• Con<strong>de</strong>nsação em microcanais (resultados<br />
preliminares, obtidos no LEPETEN/Boiling <strong>–</strong> <strong>UFSC</strong>)<br />
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Aplicações<br />
• Con<strong>de</strong>nsadores com e sem superfícies<br />
microaletadas<br />
indústria <strong>de</strong> refrigeração,<br />
ciclos <strong>de</strong> potência (geração<br />
termelétrica)<br />
• Tubos <strong>de</strong> calor<br />
• Termossifões bifásicos<br />
coletores solares<br />
fornos <strong>de</strong> cocção<br />
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Aspectos históricos da con<strong>de</strong>nsação<br />
1769 - James Watt obtém a patente do<br />
con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> superfície;<br />
(147 anos)<br />
1916 - Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt para a con<strong>de</strong>nsação em película<br />
(in Nusselt, W., “Die oberflachenkon<strong>de</strong>sation <strong>de</strong>s wasser<br />
dampfes”, Z. ver., 1916)<br />
1930 - Schimidt et al. apresentaram um dos primeiros<br />
trabalhos sobre a con<strong>de</strong>nsação em gotas.<br />
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g<br />
q″<br />
TIPOS DE CONDENSAÇÃO<br />
vapor<br />
Líquido<br />
g<br />
q″<br />
vapor<br />
em película em gotas mista<br />
q″<br />
g<br />
vapor<br />
Líquido Líquido<br />
hh gotas > > hpelícula <strong>13º</strong> <strong>ENCIT</strong> <strong>Congresso</strong> <strong>Brasileiro</strong> <strong>de</strong> Engenharia e Ciências Térmicas<br />
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TIPOS DE CONDENSAÇÃO<br />
• O tipo <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsação <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> do ângulo <strong>de</strong> contato<br />
líquido líquido-superfície.<br />
superfície.<br />
• Dois tipos:<br />
<strong>–</strong> Con<strong>de</strong>nsação em gotas <strong>–</strong> maior transferência <strong>de</strong><br />
calor, porém sua manutenção é muito difícil.<br />
Ocorre com fluidos não molhantes.<br />
<strong>–</strong> Con<strong>de</strong>nsação em película <strong>–</strong> modo mais comum <strong>de</strong><br />
con<strong>de</strong>nsação. Formação <strong>de</strong> uma película líquida<br />
sobre a superfície. Ocorre com fluidos molhantes.<br />
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CONDENSAÇÃO<br />
EM GOTAS (1)<br />
Con<strong>de</strong>nsação sobre uma<br />
superfície vertical<br />
(q=0,12 W/cm W/cm2 ; ΔT=0,05 T=0,05 K)<br />
( h= 24 kW/K.m 2 )<br />
a) início<br />
b) 16 s<br />
c) 32 s<br />
Diâmetro da superfície superfície: : 18mm<br />
in Stephan, K., “Heat Transfer in<br />
Con<strong>de</strong>nsation and Boiling”, Springer, 1992, p. 29<br />
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CONDENSAÇÃO EM GOTAS (2)<br />
Con<strong>de</strong>nsação sobre uma<br />
superfície vertical<br />
(in J. H. Leinhard, “A Heat Transfer Textbook”,<br />
2nd ed., Prentice-Hall, 1987)<br />
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Co<strong>de</strong>nsação em gotas (3)<br />
Con<strong>de</strong>nsação sobre uma<br />
superfície coberta<br />
com teflon<br />
(in in Ganzeles, Ganzeles, F.L.A., F.L.A., 2002, 2002,<br />
“Drainage “Drainage and and con<strong>de</strong>nsate con<strong>de</strong>nsate heat heat<br />
resistence resistence in in dropwise dropwise con<strong>de</strong>nsation”,<br />
con<strong>de</strong>nsation”,<br />
PhD PhD thesis thesis TuE TuE--Eindhoven Eindhoven--Holanda Holanda)<br />
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Padrões na co<strong>de</strong>nsação em gotas (3)<br />
(in Ganzeles, F.L.A., 2002 2002, ,<br />
PhD thesis<br />
TuE TuE-Holanda) Holanda)<br />
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Curva <strong>de</strong><br />
Con<strong>de</strong>nsação<br />
Comparação:<br />
Con<strong>de</strong>nsação<br />
em gotas e<br />
em película<br />
in Massoud Kaviany,<br />
“Principles of Heat Transfer“,<br />
John Wiley & Sons, 2002, p. 610.<br />
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Ângulo <strong>de</strong> contato e Molhabilida<strong>de</strong><br />
(Ângulo <strong>de</strong> contato estático)<br />
σ LV<br />
SV<br />
Equação <strong>de</strong> Young<br />
σ = σ + σ cosθ<br />
SV<br />
SL<br />
LV<br />
σ −σ<br />
= σ cosθ<br />
SV<br />
SL<br />
LV<br />
θ<br />
L<br />
σσ σσ<br />
SL<br />
Equilíbrio <strong>de</strong> forças na linha tripla<br />
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V<br />
S
σ LVII<br />
L<br />
σσ<br />
Força <strong>de</strong> a<strong>de</strong>são, F Fad ad<br />
V<br />
SL<br />
S<br />
σ SV<br />
σ LVII<br />
( σ + σ + σ ) − ( σ + )<br />
F =<br />
σ<br />
ad LV LVII<br />
SV LVII<br />
( σ + − )<br />
F = σ σ<br />
ad<br />
LV<br />
SV<br />
SL<br />
V<br />
L<br />
SL<br />
V<br />
σ<br />
LV<br />
S<br />
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σ LVII<br />
c<br />
L<br />
σσ<br />
Força <strong>de</strong> Coesão, F Fc V<br />
SL<br />
F = 2σ<br />
LV<br />
S<br />
σ LVII<br />
σ V<br />
SL<br />
( σ + σ + σ ) − ( σ + )<br />
F = 2<br />
σ<br />
c LV LVII<br />
SL LVII<br />
L<br />
L<br />
V<br />
SL<br />
σ LV<br />
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S
da Eq. <strong>de</strong> Young<br />
Força <strong>de</strong> Espalhamento, F Fe F = F − F<br />
F<br />
F<br />
e<br />
e<br />
=<br />
e<br />
a d<br />
( σ + σ −σ<br />
) − ( σ )<br />
= 2<br />
LV<br />
( σ −σ<br />
−σ<br />
)<br />
SV<br />
SV<br />
LV<br />
c<br />
SL<br />
SL<br />
σ −σ<br />
= σ cosθ<br />
SV<br />
( 1− θ )<br />
SL<br />
LV<br />
Fe = −σ<br />
SL cos = 0 , θ = 0<br />
F < 0, 0 < θ < 90°<br />
Líquido molhante<br />
e<br />
F Líquido totalmente molhante<br />
90° < θ < 180°<br />
Líquido não molhante<br />
= −2σ<br />
LV θ = 180°<br />
e<br />
F Líquido totalmente não molhante<br />
e<br />
LV
Alteração do ângulo <strong>de</strong> contato<br />
Experimento no LMPT e <strong>LEPTEN</strong>/<strong>UFSC</strong><br />
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O MODELO DE NUSSELT<br />
• Escoamento laminar;<br />
• Proprieda<strong>de</strong>s físicas do fluido constantes;<br />
• O sub sub-resfriamento resfriamento do líquido na Camada Limite é<br />
<strong>de</strong>sprezível, no balanço <strong>de</strong> energia;<br />
• A equação da QM não consi<strong>de</strong>ra os termos <strong>de</strong> inércia;<br />
• Vapor em repouso, sem exercer força <strong>de</strong> arrasto ou<br />
<strong>de</strong> cisalhamento sobre o líquido;<br />
• A interface líquido líquido-vapor vapor é lisa;<br />
• A transferência <strong>de</strong> calor, através da película, ocorre<br />
por condução.<br />
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Nusselt (1882 (1882-1957) 1957)<br />
Ernst Kraf Vilhelm Nusselt<br />
Publicou, em 1916,<br />
“Die Oberflachenkon<strong>de</strong>nsation <strong>de</strong>s<br />
Wasserdampfes”, Z. Ver. Deut. Ing., Vol.<br />
60, 541, 1916.<br />
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O MODELO DE NUSSELT,<br />
y<br />
Laminar sem<br />
ondulações<br />
Re<br />
δ<br />
≤<br />
30<br />
Laminar com<br />
ondulações<br />
Re<br />
30 ≤ Reδ<br />
≤<br />
Região turbulenta<br />
δ<br />
≥ 1800<br />
1800<br />
2<br />
d u<br />
2<br />
dy<br />
=<br />
Reδ<br />
−<br />
1<br />
µ<br />
l<br />
≤<br />
30<br />
y=0, u=0 ,<br />
( ρ − ρ )g<br />
Condições <strong>de</strong> contorno<br />
u(y)<br />
=<br />
g<br />
y=δ,<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
µ<br />
l<br />
v<br />
δ<br />
2<br />
l<br />
du<br />
=<br />
dy<br />
⎡y<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
δ<br />
0<br />
−<br />
1<br />
2<br />
v<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
y<br />
δ<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
(1)<br />
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⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
(2)
O Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt (2)<br />
Re<br />
Simplificações na equação <strong>de</strong> Navier Navier-Stokes Stokes<br />
x<br />
δ<br />
=<br />
CL<br />
ρlum<br />
D<br />
μ<br />
D<br />
hidr<br />
.<br />
l<br />
y<br />
hidr.<br />
dp<br />
dx<br />
=<br />
4.<br />
A 4<br />
= =<br />
P<br />
m<br />
∂u<br />
∂y<br />
.<br />
= ρ g<br />
l<br />
y=δ<br />
v<br />
m D<br />
μ bδ<br />
hidr.<br />
( b.<br />
δ )<br />
= 4δ<br />
b<br />
= 0<br />
l<br />
.<br />
(Dedução da Eq. 1)<br />
⎛<br />
ρl<br />
⎜<br />
⎝<br />
4m<br />
4Γ<br />
= =<br />
μ b μ<br />
∂u<br />
∂x<br />
∂u<br />
⎞<br />
+ v ⎟<br />
∂y<br />
⎠<br />
u = − l<br />
.<br />
l<br />
(3)<br />
b<br />
≈ 0<br />
.<br />
m<br />
b<br />
= Γ<br />
2<br />
∂p<br />
∂ u<br />
+ ρ g + μ 2<br />
∂x<br />
∂y<br />
δ ( x)<br />
( x)<br />
=<br />
∫<br />
δ<br />
0<br />
( x)<br />
ρ u<br />
l<br />
( y)dy<br />
.<br />
3<br />
m gρl<br />
( )<br />
( ρl<br />
− ρv<br />
) δ<br />
= Γ x =<br />
(4)<br />
b<br />
3μl<br />
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x<br />
x + dx<br />
O Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt (3)<br />
"<br />
q .<br />
sup<br />
( b dx)<br />
dq = hlvd<br />
"<br />
dq = q .<br />
sup<br />
.<br />
m<br />
( b dx)<br />
.<br />
m<br />
.<br />
m+ d m<br />
dΓ<br />
dx<br />
.<br />
=<br />
Após <strong>de</strong>rivar Γ, Eq. (4):<br />
dq = hlvd<br />
q<br />
"<br />
sup<br />
h<br />
lv<br />
dΓ<br />
dx<br />
d<br />
=<br />
=<br />
.<br />
m<br />
k<br />
l<br />
.<br />
m<br />
dq = hlvd<br />
"<br />
dq = q .<br />
( T −T<br />
)<br />
ρ<br />
l<br />
sat<br />
δ.<br />
h<br />
lv<br />
sup<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
μ<br />
l<br />
v<br />
sup<br />
2<br />
gδ<br />
.<br />
m<br />
( b dx)<br />
dδ<br />
dx<br />
δδ<br />
( x )<br />
⎡ 4 k l lμμ<br />
l s at −<br />
= ⎢<br />
⎣⎢<br />
gρl<br />
ρl<br />
− ρv<br />
( x)<br />
1<br />
4<br />
( T − T ) x x⎤<br />
sup<br />
( ) sup<br />
δ ; x ↑<br />
'<br />
hlv = hlv<br />
correção<br />
h<br />
lv<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
( 1+<br />
0,<br />
68Ja)<br />
Ja: Número <strong>de</strong> Jakob<br />
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h<br />
L<br />
O Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt (4)<br />
h<br />
h =<br />
x<br />
kl<br />
δ<br />
( T T )<br />
q = h −<br />
x<br />
"<br />
sup x sat ssup<br />
( ρ − ρ )<br />
3 '<br />
⎡<br />
⎤<br />
4 ( ) sup ⎥ ⎥<br />
⎡ g<br />
⎤<br />
l l v k h l lv<br />
= ⎢<br />
⎢⎣<br />
μl<br />
Tsat<br />
−T<br />
x ⎦<br />
⎡ g ρl<br />
= 0,<br />
943⎢<br />
⎢⎣<br />
μl<br />
1<br />
4<br />
ρ O h local, hx, diminui com x.<br />
Após integrar<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
( T −T<br />
)<br />
sat<br />
v<br />
sup<br />
k<br />
3<br />
l<br />
L<br />
h<br />
'<br />
lv<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
1<br />
4<br />
Nu<br />
L<br />
.<br />
T<br />
ρ<br />
m =<br />
v<br />
f<br />
q<br />
h<br />
Proprieda<strong>de</strong>s:<br />
'<br />
lv<br />
=<br />
e<br />
⎡ g ρl<br />
= 0,<br />
943⎢<br />
⎢⎣<br />
μlk<br />
T<br />
sat<br />
h<br />
lv<br />
+<br />
2<br />
à<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
h<br />
l<br />
L<br />
Tsup<br />
T<br />
h<br />
'<br />
lv<br />
sat<br />
( T −T<br />
)<br />
sat<br />
A<br />
( T −T<br />
)<br />
v<br />
sat<br />
h<br />
'<br />
lv<br />
sup<br />
L<br />
3<br />
sup<br />
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=<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
1<br />
4
Limites para cada regime <strong>de</strong> escoamento<br />
Re ≤<br />
δ<br />
30<br />
30 ≤ Re ≤ 1800<br />
≤ δ<br />
Re ≥<br />
δ<br />
1800<br />
Re<br />
Re<br />
Re<br />
δ<br />
δ<br />
δ<br />
⎡<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢κ<br />
( ) ⎥<br />
lL<br />
Tsat<br />
−T<br />
p<br />
= 3,<br />
78⎢<br />
1 ⎥<br />
⎢<br />
2 3 ⎥<br />
' ⎛ν<br />
⎞ l ⎢ μlhlv<br />
⎜<br />
⎟ ⎥<br />
⎢⎣<br />
⎝ g ⎠ ⎥⎦<br />
0,<br />
82<br />
3,<br />
70 ( ) ⎥ ⎥⎤<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢3,<br />
70κ<br />
lL(<br />
Tsat<br />
−T<br />
p ) ⎥<br />
= ⎢ + 4,<br />
8<br />
1 ⎥<br />
⎢<br />
2 3 ⎥<br />
'<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
⎦⎥<br />
⎢ κl<br />
L Tsat<br />
−T<br />
p<br />
=<br />
+<br />
⎛ν<br />
⎞ l μlhlv<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎣ ⎝ g ⎠<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢0,<br />
069κ<br />
lL(<br />
Tsat<br />
−T<br />
p ) 0,<br />
5<br />
= ⎢<br />
Pr −151Pr<br />
1<br />
l<br />
l<br />
⎢<br />
2 3<br />
' ⎛ν<br />
⎞ l<br />
⎢ μlhlv<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎢⎣<br />
⎝ g ⎠<br />
3<br />
4<br />
0,<br />
5<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
+ 253⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
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4<br />
3
Número <strong>de</strong> Nusselt modificado:<br />
con<strong>de</strong>nsação em película sobre placa vertical<br />
In Incropera et al. ( 2008), LTC, p. 409<br />
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Número <strong>de</strong> Nusselt :<br />
con<strong>de</strong>nsação em película<br />
sobre placa vertical<br />
δ ↑ x<br />
h<br />
x<br />
↑<br />
↓ δδ<br />
↑<br />
In Kern<br />
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λ<br />
Taylor<br />
=<br />
⎡<br />
σ<br />
⎤<br />
2π 3⎢<br />
⎥<br />
⎣(<br />
ρl<br />
− ρv<br />
) g ⎦<br />
1/<br />
2<br />
λTaylor<br />
Con<strong>de</strong>nsação em película<br />
sobre um só tubo e sobre<br />
uma coluna com dois tubos<br />
horizontais<br />
horizontais.<br />
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Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt: con<strong>de</strong>nsação em película<br />
para tubo horizontal<br />
h<br />
D<br />
Nu<br />
=<br />
D<br />
0,<br />
729<br />
=<br />
0,<br />
729<br />
⎡ g ρl<br />
⎢<br />
⎣ ⎣⎢<br />
μl<br />
⎡ g<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
ρ<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
( T −T<br />
)<br />
l<br />
μ k<br />
l<br />
sat<br />
v<br />
sup<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
l<br />
k<br />
h<br />
3<br />
l<br />
h<br />
D<br />
'<br />
lv<br />
( T −T<br />
)<br />
sat<br />
v<br />
sup<br />
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'<br />
lv<br />
D<br />
3<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦ ⎦⎥<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
1<br />
4<br />
1<br />
4
hD<br />
Correção para o cálculo <strong>de</strong> para uma<br />
coluna vertical com tubos horizontais<br />
Com drenagem contínua:<br />
Nu<br />
D,<br />
N<br />
=<br />
0,<br />
729<br />
h<br />
h<br />
⎡ g ρl<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
Nμl<br />
D , N<br />
D , N<br />
=<br />
=<br />
( ρ − ρ )<br />
l<br />
k<br />
( T −T<br />
)<br />
h<br />
N<br />
h<br />
N<br />
sat<br />
Nusselt<br />
1/<br />
4<br />
Com drenagem por gotejamento:<br />
Nusselt<br />
1/<br />
6<br />
v<br />
sup<br />
3<br />
l<br />
h<br />
D<br />
'<br />
lv<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
Correlação <strong>de</strong> Kern<br />
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1<br />
4
Exemplo C1: con<strong>de</strong>nsação em película<br />
sobre uma placa plana vertical<br />
Vapor d’água saturado a 1 atm con<strong>de</strong>nsa sobre uma placa vertical com 2,5 m <strong>de</strong> altura<br />
e 0,5 m <strong>de</strong> largura, mantida à temperatura <strong>de</strong> 54ºC. Calcule a taxa <strong>de</strong> calor transferido à<br />
placa, a vazão <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsado e o limite x para valida<strong>de</strong> do mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt.<br />
Proprieda<strong>de</strong>s da água líquida, à<br />
T<br />
f<br />
ρρ<br />
k<br />
l<br />
Pr<br />
Tsat<br />
+ Tp<br />
=<br />
2<br />
= 973 , 7 kg / m<br />
= 0,<br />
668W<br />
/( mK)<br />
μ = 3,<br />
65x10<br />
c<br />
l<br />
l<br />
pl<br />
σ = 0,<br />
063N<br />
/ m<br />
=<br />
2,<br />
29<br />
−4<br />
3<br />
Pa.<br />
s<br />
= 4195J<br />
/( kgK)<br />
Proprieda<strong>de</strong>s à T sat<br />
3<br />
ρ = 0,<br />
596kg<br />
/ m<br />
h<br />
v<br />
lv<br />
= 2257kJ<br />
/ kg<br />
b<br />
Correção <strong>de</strong> h lv<br />
'<br />
h = h lv<br />
lv<br />
( 1 + 0 , 68 Ja )<br />
( T − T )<br />
c pl sat − p<br />
Ja =<br />
hlv<br />
'<br />
Ja = 0,<br />
0855 → hlv<br />
= 2388,<br />
22kJ<br />
/ kg<br />
, Número <strong>de</strong> Jakob<br />
L 1ª tentativa, hipótese laminar com ondulações<br />
h<br />
L<br />
⎛ ν<br />
⎜<br />
⎝ g<br />
k<br />
l<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
1<br />
3<br />
=<br />
1,<br />
08<br />
Re<br />
Re<br />
δ<br />
δ<br />
30 Re ≤1800<br />
−<br />
≤ δ<br />
5,<br />
2<br />
Correlação<br />
Recomendada<br />
por<br />
Kutateladze
Re<br />
Exemplo C1 (cont.)<br />
30 ≤ Reδ<br />
≤<br />
Re<br />
δ<br />
1800<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢3,<br />
70κ<br />
lL<br />
sat<br />
= ⎢<br />
⎢<br />
2<br />
' ⎛ν<br />
⎞ l ⎢ μlhlv<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎢⎣<br />
⎝ g ⎠<br />
( T −T<br />
)<br />
1<br />
3<br />
p<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
+ 4,<br />
8⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
0,<br />
82<br />
2ª tentativa, região turbulenta<br />
δ<br />
= 2425 > 1800<br />
Portanto, <strong>de</strong>ve ser o regime turbulento.<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢0,<br />
069κ<br />
lL(<br />
Tsat<br />
−T<br />
p ) 0,<br />
5<br />
= ⎢<br />
Pr −151Pr<br />
1<br />
l<br />
l<br />
⎢<br />
2 3<br />
' ⎛ν<br />
⎞ l ⎢ μlhlv<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎢⎣<br />
⎝ g ⎠<br />
0,<br />
5<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
+ 253⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
4<br />
3<br />
=<br />
2941,<br />
2<br />
Re<br />
.<br />
m<br />
δ<br />
=<br />
l<br />
.<br />
4 m<br />
=<br />
μ b<br />
μlb<br />
Re<br />
4<br />
.<br />
δ<br />
= 0,<br />
134kg<br />
/ s<br />
'<br />
q = m h hlv<br />
= 320481<br />
h<br />
L<br />
=<br />
hL =<br />
A<br />
p<br />
q<br />
( T −T<br />
)<br />
sat<br />
5573,<br />
6<br />
W<br />
sup<br />
/( m<br />
W<br />
2 K<br />
)
Exemplo C1 (cont.)<br />
Re ≤<br />
δ<br />
30<br />
, Domínio para o mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Nusselt<br />
Re<br />
δ<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢κ<br />
l x sat<br />
= 3,<br />
78⎢<br />
⎢<br />
2<br />
' ⎛ν<br />
⎞ l ⎢ μlhlv<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎢⎣<br />
⎢⎣ ⎝ g ⎠<br />
( T −T<br />
)<br />
p<br />
1<br />
3<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
⎥⎦<br />
3<br />
4<br />
= 30<br />
3/<br />
4<br />
x = 0,<br />
0338;<br />
x = 0,<br />
011m<br />
Valor local <strong>de</strong> h cond, em x=0,011m<br />
hx =<br />
hL =<br />
9.<br />
730,<br />
3<br />
W<br />
12.<br />
973,<br />
7<br />
/( m<br />
W<br />
2 K<br />
/( m<br />
)<br />
2 K<br />
)
Con<strong>de</strong>nsação em convecção forçada<br />
em mini e microcanais<br />
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Aplicações<br />
Con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> chiller<br />
http://www.carriercca.com<br />
Multiportas <strong>de</strong> alumínio extrudado<br />
Utilizadas em microcon<strong>de</strong>nsadores<br />
www.hydro.com
Con<strong>de</strong>nsação em canais convencionais<br />
• Formulações analíticas permitem cálculo do<br />
coeficiente <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor por<br />
convecção e queda <strong>de</strong> pressão para os<br />
regimes <strong>de</strong> escoamento.<br />
• Forças gravitacionais dominantes sobre<br />
forças <strong>de</strong> atrito e <strong>de</strong> tensão superficial.<br />
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Con<strong>de</strong>nsação em canais convencionais<br />
• Regimes <strong>de</strong> escoamento:<br />
Regimes bifásicos normalmente encontrados<br />
em con<strong>de</strong>nsação (Stephan, 1992)<br />
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Con<strong>de</strong>nsação em microcanais<br />
• Aumento da taxa <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor e<br />
da queda <strong>de</strong> pressão.<br />
• A força <strong>de</strong> tensão superficial torna-se<br />
dominante sobre a aceleração da gravida<strong>de</strong> e o<br />
atrito.<br />
• Mo<strong>de</strong>los propostos para o cálculo do h e <strong>de</strong> ΔΔΔΔp<br />
em macrocanais não funcionam muito bem em<br />
microcanais.<br />
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Mapa <strong>de</strong> padrões <strong>de</strong> escoamento em<br />
microcanais<br />
Padrões <strong>de</strong> escoamento para a con<strong>de</strong>nsação em microcanais<br />
encontrados por Coleman e Garimella (2003)<br />
R-134a em canais retangulares, circulares e quadrados;<br />
1 mm < D h < 4,8 mm<br />
150 kg/m²s < G < 750 kg/m²s
Con<strong>de</strong>nsação em convecção forçada<br />
Mapa <strong>de</strong> padrões <strong>de</strong>senvolvido por Coleman e Garimella<br />
para con<strong>de</strong>nsação em canais circulares com D=1 mm<br />
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Con<strong>de</strong>nsação em convecção forçada do<br />
R-134a, 134a, no interior <strong>de</strong> microcanais<br />
(baseado nos resultados preliminares do<br />
trabalho <strong>de</strong> mestrado<br />
<strong>de</strong> Gil Goss Jr., <strong>LEPTEN</strong>/Boiling - <strong>UFSC</strong>)<br />
Goss Jr., G., Marini, S.F., Passos, J.C., Heat Transfer and Pressure<br />
Drop Con<strong>de</strong>nsation of R-134a insi<strong>de</strong> Parallel Microchannels, in Proceedings of<br />
the ASME/JSME 2011, 8th Thermal Engineering Joint Conference <strong>–</strong> AJTEC2011, March 13-17,<br />
2011, Honolulu, Hawaii, USA, 9 pages.<br />
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Condições <strong>de</strong> teste<br />
• Estudo da con<strong>de</strong>nsação convectiva em<br />
microcanais:<br />
<strong>–</strong> Microcanais paralelos, circulares, D = 0,8 mm.<br />
<strong>–</strong> R-134a<br />
<strong>–</strong> 50 kg/m²s < G < 420 kg/m²s<br />
<strong>–</strong> 6 bar < p < 12 bar<br />
• Dados experimentais x correlações e mo<strong>de</strong>los:<br />
<strong>–</strong> Coeficiente <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor por<br />
convecção (h)<br />
<strong>–</strong> Queda <strong>de</strong> pressão<br />
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Condições <strong>de</strong> teste<br />
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R134a<br />
Localização termopares<br />
Seção <strong>de</strong> teste<br />
R134a<br />
Características:<br />
Composta <strong>de</strong> 8 microcanais<br />
(tubos <strong>de</strong> cobre, D = 0,8 mm)<br />
paralelos;<br />
Instrumentada com:<br />
16 termopares;<br />
2 transdutores <strong>de</strong> pressão Warme;<br />
3 coolers Peltier.
Resultados preliminares<br />
Mass velocity (kg.m -2 s -1 Mass Velocida<strong>de</strong> velocity Mássica (kg.m (kg/m²s) )<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
Dispersed<br />
Bubble<br />
Flow<br />
Plug/Slug<br />
Flow<br />
Plug/Slug and<br />
Annular Film Flow<br />
Annular Film<br />
and Mist Flow<br />
Annular Film Flow<br />
Mist Flow<br />
100<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1<br />
Título Vapor <strong>de</strong> quality vapor<br />
Mapa <strong>de</strong> padrões<br />
<strong>de</strong>senvolvido por<br />
Coleman e Garimella<br />
in, Goss Jr., G., Macarini, S. e Passos, J.C. (ASME-2011, Hawaii)<br />
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Resultados<br />
Experimental Heat Transfer Coefficient (W.m -2 K -1 Coeficiente <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor experimental (W/m²K)<br />
Experimental Heat Transfer Coefficient (W.m )<br />
8000<br />
7500<br />
7000<br />
6500<br />
6000<br />
5500<br />
5000<br />
4500<br />
4000<br />
3500<br />
G=65 kgm -2 s -1 p in =7.0 bar q"=24 kW.m -2<br />
G=95 kgm -2 s -1 p in =9.2 bar q"=29 kW.m -2<br />
G=100 kgm -2 s -1 p in =9.3 bar q"=30 kW.m -2<br />
G=125 kgm -2 s -1 p in =11.2 bar q"=34 kW.m -2<br />
3000<br />
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1<br />
Título <strong>de</strong> Vapor vapor quality<br />
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Resultados<br />
Heat Transfer Coefficient (W.m -2 Coeficiente <strong>de</strong> transferência<br />
Heat Transfer<br />
<strong>de</strong><br />
Coefficient<br />
calor experimental<br />
(W.m<br />
(W/m²K)<br />
K)<br />
15000<br />
10000<br />
5000<br />
0<br />
Traviss et al. (1973)<br />
Shah (1976)<br />
Moser et al.(1998)<br />
Soliman (1968)<br />
Dobson and Chato (1998)<br />
Yan and Lin (1999)<br />
Koyama (2003)<br />
Experimental<br />
G= 105 kg.m -2 s -1<br />
q"= 30 - 33 kW.m -2<br />
p in = 9.3 bar<br />
T sat =36 o C<br />
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9<br />
Título Quality <strong>de</strong> vapor (-)<br />
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Resultados<br />
Correlação <strong>de</strong><br />
Yan e Lin (1999)<br />
Calculated Heat Transfer Coefficient (W.m -2 K -1 Calculated Coeficiente Heat <strong>de</strong> transferência transferência Transfer Coefficient <strong>de</strong> calor (W.m calculado calculado)<br />
6000<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
G=60 kgm -2 s -1<br />
G=65 kgm -2 s -1<br />
G=100 kgm -2 s -1<br />
G=105 kgm -2 s -1<br />
G=130 kgm -2 s -1<br />
+30%<br />
-30%<br />
0<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000<br />
Experimental Heat Transfer Coefficient (W.m -2 K -1 Coeficiente <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor experimental (W/m²K)<br />
)<br />
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Agra<strong>de</strong>cimento aos órgãos financiadores<br />
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Muito obrigado pela atenção.<br />
jpassos@emc.ufsc.br<br />
http://energetique-juliocesarpassos.blogspot.com<br />
www.lepten.ufsc.br<br />
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