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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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