Ebulição e Condensação Convectivas EMC410132 Ebulição e Condensação Convectivas EBULIÇÃO EM ESCOAMENTOS EM MICROCANAIS N Júlio César Passos julio.passos@ufsc.br Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico - Departamento de Engenharia Mecânica LEPTEN/Boiling Laboratórios de Engenharia de Processos de Conversão e Tecnologia de Energia

Plano da aula Forças presentes durante a ebulição convectiva Efeito de escala, influência do diâmetro hidráulico do canal Padrões de escoamento Equações para as linhas de transição no mapa de Revellin e Thome Equacionamento para o tratamento dos dados Estudo de caso: resultados da queda de pressão Estudo de caso: resultados da transferência de calor Ebulição e Condensação Convectivas

Forças por unidade de área Força de inércia : massa específica do fluido (do líquido até ocorrer a nucleação; e uma média para o escoamento bifásico) Força de tensão superficial : tensão superficial : ângulo de contato da interface líquido vapor sobre a superfície do canal Ebulição e Condensação Convectivas

Forças por unidade de área (cont.) Força de cisalhamento (shear force) : viscosidade do fluido. Para escoamento bifásico, a propriedade escolhida depende do fluido em contato com a superfície do tubo. Força gravitacional (buoyancy force) : aceleração da gravidade Ebulição e Condensação Convectivas

Forças por unidade de área (cont.) Força de quantidade de movimento devido à evaporação : fluxo de calor na superfície do tubo : calor latente de vaporização Ebulição e Condensação Convectivas

Resultados sobre o efeito de escala Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição da água. Fonte: Kandlikar, S.G., Scale effect on flow boiling heat transfer in microchannels: A fundamental perspective, Int. J. of Thermal Sciences, vol. 49, pp. 1073-1085, 2010. Ebulição e Condensação Convectivas

Resultados sobre o efeito de escala In Kandlikar (2010) Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição da água. Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição do R-123. Ebulição e Condensação Convectivas

Resultados sobre o efeito de escala In Kandlikar (2010) Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição da água. Ebulição e Condensação Convectivas

Padrões de escoamento Escoamento Borbulhado (disperso)   Escoamento Borbulhado (disperso) Transição – Borbulhado / ”Slug” Escoamento Intermitente (“Slug” Agitado/ “plug” - Pistonado) Transição – “Slug” / Semi-Anular Escoamento Semi-Anular Escoamento Anular Agitado Escoamento Anular Suave ou Liso Padrões de escoamento e transições no interior de um tubo horizontal: no escoamento de d=0,5 mm, L=70,70 mm, G=500 kg/m2s e Tsat=35 oC. (Revellin and Thome (2007b)); R134a e R245fa, ver Dario (2013). Ebulição e Condensação Convectivas

Padrões de escoamento (simplificação)  [U1] Padrões de escoamento (simplificação) Regimes de escoamentos observados por Cornwell and Kew (1993), durante o escoamento de R-113em um canal de seção transversal retangular de 1,2mm x 0,9mm Kandlikar (2002), p. 189 Ebulição e Condensação Convectivas

Padrões de escoamento: Efeito do diâmetro sobre as linhas de transição  [U1] Padrões de escoamento: Efeito do diâmetro sobre as linhas de transição Fluido; R-134a a 30º C; q”=60kW/m2 (Revellin and Thome (2007a)); (ver Dario (2013)) Ebulição e Condensação Convectivas

Equações para as linhas de transição Comprimento aquecido (Revellin and Thome (2007a)); (Dario (2013)) Ebulição e Condensação Convectivas

 [U1] Correlações e modelos semi-empíricos para o cálculo da queda de pressão Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

 [U1] Correlações e modelos semi-empíricos para o cálculo do coeficiente de transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Estudo de caso: Cálculo da queda de pressão e do coeficiente de transferência de calor durante a ebulição em convecção forçada no interior de microcanais Resultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo Dario Título: EBULIÇÃO CONVECTIVA DO R-134a EM MICROCANAIS PARALELOS E ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÕES DO ESCOAMENTO BIFÁSICO AR-ÁGUA EM UM DISTRIBUIDOR ACOPLADO A MICROCANAIS Orientador: Júlio César Passos; Co-orientador: Lounès Tadrist POSMEC/UFSC e Aix Marseille Université Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Esquema do circuito da bancada de ebulição convectiva, LEPTEN/Boiling, in Dario (2013). Ebulição e Condensação Convectivas

Seção de teste (Dario (2013)) Vista explodida da seção de teste: microcanais; placa de cobre; (3) “skin heater”; (4) (blocos de teflon; (5) Regiões de Plenum in Dario (2013). Ebulição e Condensação Convectivas

Seção de teste (Dario (2013)) Esquema de fabricação e soldagem da seção de teste: (a) Seção montada e soldada; (b) Seção de teste com vista explodida Ebulição e Condensação Convectivas

Localização dos termopares na seção de teste, fixados nas ranhuras das placas de cobre superior e inferior. Placa superior Placa inferior Ebulição e Condensação Convectivas

Modelagem do evaporador Ebulição e Condensação Convectivas

Procedimento experimental Ebulição e Condensação Convectivas

Equacionamento para o tratamento dos dados Velocidade mássica Fluxo de calor médio Ebulição e Condensação Convectivas

Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.) Cálculo do comprimento de escoamento sub-resfriado, Lsub Ebulição e Condensação Convectivas

Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.) Cálculo da pressão local na região bifásica : medição por meio do transdutor de pressão diferencial : Comprimento dos microcanais Temperatura do fluido na região bifásica Ebulição e Condensação Convectivas

Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.) Cálculo do título de vapor, : evaporação devido à queda de pressão (flashing) Ebulição e Condensação Convectivas

Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.) Cálculo do coeficiente de transferência de calor bifásico, : é a temperatura interna local da superfície do canal, em z. Ebulição e Condensação Convectivas

Pontos experimentais no mapa de padrões de Revellin e Thome BI: Bolhas Isoladas BC: Bolhas Confinadas A: Anular Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Estudo de caso: Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Resultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo Dario Título: EBULIÇÃO CONVECTIVA DO R-134a EM MICROCANAIS PARALELOS E ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÕES DO ESCOAMENTO BIFÁSICO AR-ÁGUA EM UM DISTRIBUIDOR ACOPLADO A MICROCANAIS Orientador: Júlio César Passos; Co-orientador: Lounès Tadrist POSMEC/UFSC e Aix Marseille Université Ebulição e Condensação Convectivas

Condições de operação Fluido de trabalho: R134a Dario (2013) Variação temporal dos parâmetros de entrada e da queda de pressão nos microcanais, G=1001 kg/m2-s; pent=701kPa; ΔTsub=1,2 oC; Δpexp=40,9 kPa; q”=170 kW/m2. Foram observadas pequenas oscilações da pressão, da vazão mássica e do sub-resfriamento, na entrada. Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Condições de teste Fluido de trabalho: R134a Parâmetros Valores Velocidade mássica média, G [kg/m2-s] 250; 500; 750 e 1000 Fluxo de calor médio, q” [kW/m2] 5,0 - 220,0 Título de vapor; xv [-] 0 – 0,89 Pressão de entrada, pent [kPa] 600; 700 e 900 Temperatura de Saturação, Tsat [oC] 21,55; 26,7 e 31,5 Grau de Sub-resfriamento, ΔTsub [oC] 1,0; 10,0 e 20,0 Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Comparação da medição direta de Dp por meio do transdutor de pressão diferencial e por meio da diferença entre a pressão absoluta de entrada, p01, e a pressão de saturação na saída. in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC. Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Caso prático, Dario (2013) Queda de pressão devido à aceleração, ao atrito e na região monofásica, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC. Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Caso prático, Dario (2013) Queda de pressão devido à aceleração, ao atrito e na região monofásica, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC. Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Caso prático, Dario (2013) Influência da velocidade mássica (G) sobre a queda de pressão, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC. Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Caso prático, Dario (2013) Influência da pressão de entrada sobre a queda de pressão para duas velocidades mássicas, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC. Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçada Caso prático, Dario (2013) Influência da pressão de entrada sobre a queda de pressão para duas velocidades mássicas, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC. Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-empíricos Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-empíricos Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-empíricos Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-empíricos Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-empíricos IAM PDF (±30%) PDF (±10%) Friedel (1979) 19,9 % 82,3 % 8,8 % Müller-Steinhagen and Heck (1986) 16,3 % 87,8 % 37,2 % Zhang and Webb (2001) 20,7 % 73,5 % 20,5 % Lee and Mudawar (2005a) 86,0 % 27,2 % 11,6 % Modelo Homogêneo 10,0 % 94,5 % 58,0 % Mishima and Hibiki (1996) 15,5 % 86,2 % 44,2 % IAM: Incerteza Absoluta Média Ebulição e Condensação Convectivas

Estudo de caso: Transferência de calor durante a ebulição em convecção forçada Resultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo Dario Título: EBULIÇÃO CONVECTIVA DO R-134a EM MICROCANAIS PARALELOS E ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÕES DO ESCOAMENTO BIFÁSICO AR-ÁGUA EM UM DISTRIBUIDOR ACOPLADO A MICROCANAIS Orientador: Júlio César Passos; Co-orientador: Lounès Tadrist POSMEC/UFSC e Aix Marseille Université Ebulição e Condensação Convectivas

Transferência de Calor: curva parcial de ebulição Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Transferência de calor: estimativa dos regimes de escoamento segundo o mapa de padrões de Revellin e Thome (2007a) Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Transferência de calor: estimativa dos regimes de escoamento segundo o mapa de padrões de Revellin e Thome (2007a) Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Transferência de calor: estimativa dos regimes de escoamento segundo o mapa de padrões de Revellin e Thome (2007a) Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito do fluxo de calor sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito da velocidade mássica sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito da velocidade mássica sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito do subresfriamento na entrada sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito do subresfriamento, na entrada, sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito do temperatura de saturação, na entrada, sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Efeito do temperatura de saturação, na entrada, sobre a transferência de calor Dario (2013) Ebulição e Condensação Convectivas

Transferência de calor: comparação com modelos semi-empíricos Ebulição e Condensação Convectivas Dario (2013)

Kandlikar and Balasubramanian (2004) 37,5 % 37,2 % - Correlação e modelos IAM PDF (±30%) PDF(±20%) Lazarek and Black (1982) 23,2 % 67,4 % 49,0 % Kandlikar and Balasubramanian (2004) 37,5 % 37,2 % - Sun and Mishima (2009) 14,4 % 93,3 % 74,9 % Kew and Cornwell (1997) 27,8 % 59,9 % Thome et al. (2004) 14,9 % 90,8 % 73,2 % Tran et al. (1996) 48,4 % 3,5 % Yu et al. (2002) 18,2 % 81,9 % 62,5 % Ebulição e Condensação Convectivas Dario (2013)