fundamentos da ebulição - LEPTEN - Universidade Federal de ...

Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia MecânicaFUNDAMENTOS DA EBULIÇÃOJúlioCésarPassosjpassos@emc.ufsc.br

Parte 1A CURVA DE EBULIÇÃO

SumárioMotivaçãoDados históricosA curva de ebuliçãoO experimento de NukiyamaVisualizaçãoCorrelações para o hEbulição em convecção forçadaEbulição convectiva em mini-canais

MOTIVAÇÃO (1)Os processos de ebulição nucleada permitem transferirelevados fluxos de calor com baixas diferenças detemperatura (T(p -T sat ).Aplicações• Refrigeração e condicionamento de ar• Aplicações que exijam evaporadores compactos• Controle térmico tem geral (ex. TGV, na França)a)• Análise de segurança a em reatores nucleares• Ferramenta de apoio à inovação tecnológica

MOTIVAÇÃO (2)∆T e(=T sup–T sat) (K)A ebulição possibilita elevados fluxos de calor com pequenos ∆T e

MOTIVAÇÃO (3)Demanda crescente do fluxo de calor a ser dissipado

Dados HistóricosLEIDENFROST(Alemanha- 1756)registra as suas observaçõessobre o comportamento deuma gota d’águacuja vaporizaçãoé retardada devido a um“colchãode vapor”, que a mantém “isolada” da chapa aquecida.JAKOB e FRITZ(Alemanha- 1931)realizam os primeiros estudos sobre o efeito da rugosidadesobre o coeficiente de transferência de calorNUKIYAMA(Japão- 1934)apresenta a curva de ebuliçãoe infere a existência doregime de ebuliçãode transiçãoão.

A CURVA DE EBULIÇÃOFluxo de calor impostoqqmáx=qcrítDFAB - Convecção naturalB`D - Ebulição nucleadaEF - Ebulição em películaCEDE - Regime de transiçãoB'BDF - Crise de ebuliçãoATsupCurva de Nukiyama

A CURVA DE EBULIÇÃOO Experimento de Nukyiama (1934)∆T e(=T ∆T=Tp sup–T - Tsat) (K)Vi = R(T)iVTÁguaà T satq mí nq máxqebulição em “piscina”Curva de Nukiyama

VISUALIZAÇÃO (1)EbuliçãoNucleadaEbulição deTransiçãoImagens extraídas do filme: “Les mécanismes de l’ébullition”, com autorização do SFS-França

VISUALIZAÇÃO (2)Regime de ebulição nucleada sobre disco de cobre

VISUALIZAÇÃO (3)Ebuliçãoem PelículaInstabilidadesde TaylorImagens extraídas do filme: “Les mécanismes de l’ébullition”, com autorização do SFS-França

VISUALIZAÇÃO (3)Efeito da aceleração da gravidadeg=9,8 m/s 2Patmin Snyder e Ghung(2001)µgp atmin Snyder e Ghung(2001)

SIGNIFICADO DA EBULIÇÃOCONFINADAscalorcalorSem confinamentoCom confinamento

APLICAÇÕES DA EBULIÇÃOCONFINADA• Tubos de calor• Termossifões bifásicoscoletores solaresfornos de cocção• Evaporadoresindústria de refrigeração• Trocadores de calor compactos comsuperfícies intensificadoras

Revisão BibliográficaMecanismos da Ebulição NucleadaQuatro diferentes modos de transferência de calorCalorLatenteMicro-convecçãoConvecçãoNaturalCorrentesdeMarangoniMecanismos primários rios para ebulição nucleada saturada e totalmentedesenvolvida: transferência por calor latente e micro-convecconvecção.

CURVA DE EBULIÇÃOOU DE NUKIYAMA∆T e (K)

REGIMES DE EBULIÇÃORegião CDEF – regime de ebulição nucleada:1) Bolhas isoladas (região CD);2) Colunas e bolsões de vapor (região DE);3) Grandes cogumelos de vapor (região EF).Tentativa de representação dos regimes observados naebulição nucleada.

CORRELAÇÕES EMPÍRICAS PARAA EBULIÇÃO NUCLEADARohsenow (1952)h=µ hllv⎛⎜⎝g0,5r( ρ − ρ ) ⎞ ⎛ c ⎞pl2lσv⎟⎠⎜⎝ CsfhlvPrsl⎟⎠1∆TeC sf = 0,0074 para o n-Pentano/cobre= 0,0054 para o FC-72/cobre (Pioro, 1999)= 0,0013 para a Água e o CobreRohsenow considera o movimento causado pelo crescimento e partida dasbolhas similar ao mecanismo de transferência de calor no transporteconvectivo, onde Reynolds é calculado em função da velocidade ascensionale do diâmetro da bolha de vapor.

Stephan e Abdelsalam (1980)hsa=0,7450,581⎛ kl⎞⎛qdb⎞ ⎛ ρl0,533207 PrlRpdbklT⎟ ⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎝ ⎠⎝sat ⎠ ⎝ ρv ⎠0,133onde Pr l , R p e d b representam o número de Prandtl dolíquido, a rugosidade da superfície (µm) e o diâmetro dabolha dado por:db=⎛0,0149θ⎜⎝g2σ( ρ − ρ )lv⎞⎟⎠0,5Cooper (1984)hcooperbr−0,55−0,50, 67( −0,4343lnp ) M= 55pqrb = 0,12 – 0,08686 ln (R p ), pr é a pressão reduzida e M o pesomolecular do fluido.

FLUXO DE CALOR CRÍTICOFluxo de Calor Crítico ( (CHF) é o limite de operação em ebuliçãonucleada. Quando atingido ocorre a transição da ebulição nucleadapara a ebulição em película.Modelo de instabilidade hidrodinâmica (Zuber, 1958) a crise deebulição resulta da interação de:i) instabilidades de Taylor na interface vapor-líquido, normal aovetor aceleração da gravidade;ii) instabilidades de Helmholtz na interface vapor-líquido de umacoluna de vapor vertical que serve de via de escape.qmáx1[ σg( ρ − ρ )]40,50,ρvhlvl v, Z = 131

FLUXO DE CALOR CRÍTICOO MODELO DE ZUBER PARA ACRISE DE EBULIÇÃOColocação do problema• ebulição em piscina ou em banho• placa plana horizontal infinita• superfície aquecida voltada para cima• liquido à T sat

O MODELO DE ZUBER PARA ACRISE DE EBULIÇÃO (2)PostuladoPara a ebulição em “piscina” sobre placa plana, ofluxo de calor crítico resulta de instabilidadeshidrodinâmicas de Taylor e de Helmholtz

O MODELO DE ZUBER PARA ACRISE DE EBULIÇÃO (2)λ Ηλ ΤqColunas de vapor formadas poruma sucessão de bolhas, próximodo fluxo de calor críticoidéia chaveInteração entre asinstabilidades deTaylor e de Helmholtz

APARATO EXPERIMENTAL

BANCADA DE EBULIÇÃO CONFINADAEsquemaFotografia da bancada

SEÇÃO DE TESTEVista explodida da seção deteste.Conjunto confinador.

Disco de cobre com os trêstermopares soldados.Fotografia da resistência elétrica.Vista explodida da segunda seçãode teste.Montagem da segunda seção deteste.

BANCADA PARA ESTUDODA EBULIÇÃO CONFINADA

RESULTADOS EXPERIMENTAISLEPTEN/BOILING - UFSC

EFEITO DO CONFINAMENTO45Ebulição de FC-72 com T sat = 56,6ºC403530q" (kW/m²)2520151050s = 0,1mms = 0,3mms = 0,4mms = 0,5mms = 1mms = 13mm0 5 10 15 20 25 30 35 40 45T p - T sat (ºC)FC-72, em função de s, para superfície aquecida voltadapara baixo (Cardoso, 2005).

EFEITO DO CONFINAMENTOFC-7220kW/m 2s = 0,1mm s = 13mmTp = 65,60°C Tp = 66,15°C30kW/m 2s = 0,1mm s = 13mmTp = 88,57°CTp = 68,38°C

EBULIÇÃO NÃO CONFINADAT p= 53,98°Cq = 40kW/m 2T p= 56,33°Cq = 100kW/m 2Ebulição do n-Pentano, à T sat = 35,8°C e p = 1bar

Ebulição do n-Pentano com T sat = 35,8°C120,00100,00experimentalCurva de interpolação RMS = 1,6%80,00q" (kW/m 2 )60,0040,0020,000,000,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00Tp - Tsat (°C)Curva parcial de ebulição para n-Pentano, à pressãode 1bar e temperatura de saturação.

VISUALIZAÇÃO DA EBULIÇÃO (1)q= 40 kW/m 2 q= 20 kW/m 2s=0,2 mmT w=63,1 o Cs=0,5 mmT w=64,4 o Cs=1 mmT w=65,6h em função de q” para n-Pentanos=13 mmT w=65,9 o Cs=0,2 mmT w=75,5 o Cs=0,5 mm s=1 mms=13 mmT w=68,1 o C T w=69,3T w=69,7 o Cin Passos et al. (2005) ETFS, Elsevier, Vol. 30, pp. 1-7.

VISUALIZAÇÃO DA EBULIÇÃO (1)Efeito do aumento do fluxo de calor, , s=0,2 mmT w=61,0 o C;q= 7kW/m 2T w=61,2 o C; T w=61,7 o C; T w=62,3 o C;q= 10kW/m 2 q= 12kW/m 2 q= 15kW/m 2T w=63,2 o C; T w=64,3 o C; T w=65,9 o C; T w=68,5 o C; T w=74,7 o C;q= 20kW/m 2 q= 25kW/m 2 q= 30kW/m 2 q= 35kW/m 2 q= 40kW/m 2

EFEITO DO FLUXO DE CALOR, s=13q= 20kW/m 2T w=65,9 o C T w=65,9 o C T w=65,8 o Cq= 30kW/m 2T w=67,4 o C T w=67,6 o C T w=67,7 o CT w=69,7 o C T w=69,6 o C T w=69,8 o C

Visualisação (4)q=30kW/m 2 , s=0,5 mmT w=66,1 o C T w=66,2 o C T w=66,2 o C

VISUALIZAÇÃO DA EBULIÇÃO (1)q=20 kW/m 2s=0,2 mmT w=63,1 o Cs=0,5 mmT w=64,4 o Cs= 1 mmT w =65,5 o Cq=40 kW/m 2s=0,2 mmT w=75,5 o Cs=0,5 mmT w=68,1 o Cs= 1 mmT w=69,3 o Cin Passos et al. (2005) ETFS, Elsevier, Vol. 30, pp. 1-7.

VISUALIZAÇÃO DA EBULIÇÃO (2)Efeito do confinamentoq=20 kW/m 2s=0,2 mmT w =63,2 o Cs=13 mmT w =65,8 o CPara fluxos de calor moderados, ocorrea intensificaçãodo processo de transferência de calor.in Passos et al. (2005) ETFS, Elsevier, Vol. 30, pp. 1-7.

CURVA DE EBULIÇÃO PARCIALg=9,8 m/s 2

VISUALIZAÇÃO (3)q=45kW/m 2 (Fluido de trabalho n-Pentano)

VISUALIZAÇÃO (3)q=180kW/m 2(Fluido de trabalho n-Pentano)

PUBLICAÇÕES• Passos, , J.C., Hirata, F.R., Possamai, , L.F.B., Balsamo, , M.and Misale, , M., 2004, “Confined Boiling of FC72 and FC87 ona Downward Facing Heating Copper Disk”, , Int. Journal ofHeat and Fluid Flow, Elsevier, Vol. 25, pp.313-319.319.• Passos, , J.C., Possamai, , L.F.B., Hirata, F.R., 2005,“Confined and Unconfined FC72 and FC87 Boiling on aDownward-Facing Disc”, , Applied Thermal Engineering,Elsevier, Vol. 25, pp. 2543-2554.2554.• Passos, , J.C., Silva, E.L., Possamai, , L.F.B., 2005,“Visualization of FC72 Confined Nucleate Boiling”,Experimental Thermal and Fluid Science, Elsevier, Vol. 30,pp. 1-7. 1

EBULIÇÃO EM CONVECÇÃO FORÇADAA- EbuliçãoNucleadaB- Ebuliçãoem PelículaEbulição emconvecção forçadap= 1,5 bar;∆t e=24,7 o CG=218 kg/m 2 sq=121 kW/m 2(=41 % q crít)Câmera rápida:1000 quadros/sBAImagens extraídasde Passos (1989, 1990)

ORGANIZAÇÃO DE CONFERÊNCIASwww.boiling2009.com.br7 a Conferência Internacional sobreTransferência de Calor por EbuliçãoFlorianópolis, 3-737 de Maio de 2009.

ORGANIZAÇÃO DE CONFERÊNCIASwww.ebecem.com.br1 a Encontro Brasileiro sobre Ebulição,Condensação e Escoamento MultifásicoFlorianópolis, 28-29 29 de Abril de 2008.