Transferência de calor com mudança de fase: Ebulição e Condensação

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1 Transferência de calor com mudança de fase: Ebulição e Condensação

2 Da termodinâmica Ebulição Líquido à Tl e pl T aumenta até Tsat correspondente à pl Condensação Vapor à Tv e pv T diminui até Tsat correspondente à pv Transferência de calor por convecção, pois envolvem fluido em movimento: ascensão de bolhas e escoamento de condensado Pode ser natural ou forçada Dependem: do calor latente de vaporização, hlv da tensão superficial na interface líquido-vapor, das propriedades do fluido em cada fase 2

3 - Temperatura constante no processo, para uma pressão constante - Transferência de calor latente grandes quantidades de calor transferida: q mh lv - É necessário manter T entre a superfície sólida e Tsat: T =Ts Tsat grau de superaquecimento - Coeficiente de transferência de calor, h > que monofásico Processo h (W/m 2 K) Convecção Natural Gases 2-25 Líquidos Convecção Forçada Gases Líquidos Convecção com mudança de fase

4 Motivações de engenharia Transferência de grandes fluxos de calor com pequenas diferenças de temperatura ( T = Ts Tsat) Fluxo de calor vs T 4

5 Aplicações - Engenharia térmica, segurança -Sistemas de refrigeração e ar condicionado: evaporadores e condensadores - Trocadores de calor compactos - Centrais térmicas: caldeiras - Reatores nucleares - Controle térmico (em diversas aplicações) -Processos de conversão de energia (geração termo solar, etc.) - Dessanilização de água large amounts of research in many countries have been devoted to understanding its mechanisms and behavior, the results have not yet been entirely satisfactory in clarifying boiling phenomena and in correlating experimental data on heat transfer in nucleate boiling. This is largely because of the complexity and irreproducibility of the phenomena, caused 5

6 Desafios tecnológicos Intensificação da transferência de calor - Fluxo de calor a ser dissipado em dispositivos eletrônicos (600 a W/cm²) exigem novos dispositivos Sistemas com mini (200 m < D 3 mm) e microcanais (10 m < D 200 m) 1. Escoamento monofásico (líquido) Micro-bombas, micro-válvulas e micro sensores Micro eletromecânica (MEMS) resfriamento de espelhos de sistemas de laser de alta potência Engenharia biomédica e genética exigência de controle de transporte de fluidos em passagens estreitas (Microfluidic and microchannel transport processes ) 2. Escoamento com mudança de fase Evaporadores de sistemas de ar condicionado automotivo Canais de alumínio extrudado com diâmetros <1mm aplicados a condensadores com mini canais 6

7 Pressão Mudanças de fase Fusão: S-L - Solidificação: L-S Sublimação: S-V - Desublimação: V-S Vaporização: L-V - Condensação: V-L LÍQUIDO Ponto crítico VAPOR Temperatura

8 Terminologia Vaporização: termo genérico para mudança de fase L-V, ainda pode ser: Evaporação: mudança de fase L-V através de uma interface L-V quando a pressão do vapor for menor do que a pressão de saturação na temperatura do líquido (ex. evaporação da água em um lago: pvar (60% UR) < pagua, 20ºC) Não tem formação de bolhas evaporação ar água Ex: secagem de roupas, frutas, vegetais, torres de resfriamento Ebulição: mudança de fase L-V no contato do líquido com uma superfície sólida superaquecida (interface L-S) onde Ts > Tsat liq Há geração de novas interfaces L-V por meio de nucleação (bolhas de vapor) ebulição Ts água aquecimento Tsat

9 Tipos de ebulição - pool boiling ebulição em vaso Ebulição em uma superfície aquecida submersa em um vaso com um líquido inicialmente em repouso - flow boiling ebulição com escoamento Ebulição em uma corrente de fluido escoando onde a superfície de aquecimento pode ser a parede dp canal que confina o escoamento 9

10 Processo de Ebulição Rápida formação de bolhas na interface S-L, que se separam da superfície e sobem para superfície livre do líquido Grande número de variáveis envolvidas Complexos padrões de movimento do fluido causados pela formação e crescimento das bolhas água bolhas Fluxo de calor (W/m²) equação da convecção q" h(t s T sat ) Elemento de aquecimento A ebulição caracteriza-se pela formação de bolhas que não estão em equilíbrio termodinâmico com o líquido envolvente (T,p diferentes do líquido). pliq vap é equilibrada pela tensão superficial ( ) na interface. Tvap _bolha liq_ circundante é a força motriz para a transferência de calor entre as duas fases.

11 As bolhas crescem e se desprendem da superfície quando atingem um certo tamanho e tentam subir à superfície livre do líquido. T L <T bolha TC da bolha líquido: vapor da bolha condensa e esta colapsa T L >T bolha TC da líquido bolha: bolha cresce e sobe sob a influência das força de empuxo O crescimento e a dinâmica das bolhas de vapor dependem: - grau de superaquecimento - natureza da superfície - propriedades termofísicas do líquido (l) e do vapor (v):,, k, - do calor latente (energia absorvida/massa): h fg (T,p) - tensão superficial na interface L-V (determina a existência das bolhas devido à força de atração das moléculas na interface em direção à fase líquida): T (é zero no ponto crítico) Também dependem dos padrões complexos do movimento do fluido causado pela formação e crescimento das bolhas, ou seja, da dinâmica da formação de bolhas que afeta o movimento do líquido próximo à superfície influenciando o coeficiente de transferência de calor, h. 11

12 Ebulição: função do movimento do fluido Ebulição em convecção natural (em vaso ou pool boiling ) O líquido encontra-se quieto e o movimento próximo à superfície sólida é devido à convecção natural e à mistura induzida pelo surgimento e movimentação das bolhas de vapor (forças de flutuação). Ebulição do n-pentano a patm e Tsat=35,8ºC sobre um disco de cobre

13 Ebulição com convecção forçada ou em escoamento ( flow boiling ) O líquido é forçado a deslocar-se num tubo ou sobre uma superfície sólida por meios externos, tal como uma bomba Padrões de escoamento 13

14 1. Ebulição em vaso (pool boiling) função da temperatura média do fluido (longe da superfície aquecida) Ebulição sub-resfriada a temperatura média do líquido encontra-se abaixo da temperatura de saturação e as bolhas formadas na superfície sólida podem se condensar no líquido. Ebulição é confinada à região próxima a superfície aquecida Ebulição saturada a temperatura do líquido excede ligeiramente a temperatura de saturação. As bolhas formadas são então impelidas através do líquido pelas forças de empuxo, terminando por aflorar à superfície livre. água saturadza bolhas aquecimento

15 Regimes de ebulição e curva de ebulição O experimento de Nukyiama (1934): Controle do fluxo de calor/medição da temperatura do fio A ebulição toma diferentes formas dependendo do grau de superaquecimento: T (T T ) s sat Existem quatro diferentes regimes de ebulição:

16 Curva de ebulição (curva de Nukyama) Os diferentes regimes estão identificados na curva de ebulição de acordo com o grau de superaquecimento: T=Ts -Tsat 16

17 Ebulição com convecção natural ou livre: a temperatura da superfície sólida deve estar um pouco acima da temperatura de saturação para garantir a formação de bolhas. Á medida que Tsuperaq aumenta, o início da formação de bolhas (nucleação) acabará acontecendo (ponto A) (líquido é ligeiramente superaquecido) ONB (onset of nucleate boiling ou início da ebulição) Abaixo do ponto A, na curva, o movimento do fluido é determinado pelos efeitos da convecção livre. 17

18 Ebulição nucleada: Podem ser diferenciados dois regimes de escoamento diferentes. Até o ponto B, bolhas isoladas se formam nos lugares de nucleação e se desprendem da superfície sólida. Este desprendimento induz uma considerável mistura no fluido próxima à superfície sólida, aumentando substancialmente o h e q. Neste regime a maior parte de troca de calor se dá por transferência direta da superfície sólida para o líquido em movimento sobre ela e não através das bolhas de vapor ascendendo à superfície livre. 18

19 EBULIÇÃO NUCLEADA (faixa de A a C) bolhas se formam a uma taxa crescente em pontos de nucleação da superfície aquecida -Faixa AB: bolhas isoladas formadas separando-se da superfície e são dissipadas no líquido. A agitação provocada pelo deslocamento de líquido para a superfície de aquecimento faz h aumentar com o q -Faixa BC: colunas contínuas de vapor no líquido. Aumenta a temperatura, aumenta a taxa de formação de bolhas. >> q efeito combinado de deslocamento de líquido e da vaporização >> T superaq aumenta a taxa de vaporização na superfície. Grande fração da superfície coberta por bolhas, dificultando a chegada do líquido à superfície para molhar a mesma - Ponto C: Fluxo de calor crítico (CHF) crise da ebulição Este ponto fornece um limite de operação superior do fluxo de calor acima do qual a troca térmica na ebulição está associada a elevadas diferenças de temperatura e baixos h Do ponto de vista do projeto de equipamentos, o maior interesse é a Regime de EN: elevadas taxas de transferência de calor, para menores Tsuperaq > h ex. para a água: q max=1 MW/m² e Tsuperaq < 30ºC

20 Ebulição no regime de transição ebulição em película instável ou película parcial: (deve ser evitada na prática) - A formação de bolhas é tão rápida que uma película de vapor começa a se formar sobre a superfície sólida, que atua como um isolante (kv<< kl). - Em qualquer ponto sobre a superfície sólida as condições oscilam entre ebulição em película e a ebulição nucleada, mas a superfície total coberta pelo filme de vapor aumenta com o aumento do grau de superaquecimento - Ponto D temperatura de Leindenfrost, temperatura acima da qual a fase líquida não consegue tocar a parede aquecida 20

21 Ebulição em película: No ponto D o q atinge um mínimo e a superfície sólida está coberta por uma película estável de vapor. A transferência de calor da superfície sólida para o líquido acontece por condução e por radiação através do vapor. À medida que a temperatura da superfície aumenta a radiação através da película de vapor se torna significativa e o q volta a aumentar com o grau de superaquecimento 21

22 c E D 22