Mecanismos da ebulição nucleada (nucleação heterogênea)

Transcrição

1 Cura de ebuição A (ONB):ocorre nuceação (surgimento de uma fase no interior de outra) superaquecimento da parede AC (ebuição nuceada): - AB: em boas isoadas; BC: boas coaescidas (sugs), counas (forte interação) C (CHF): Fuxo de caor crítico (< q max: operação segura dos equipamentos) CD: regime de transição (nuceada e peícua - instáe) CE: crise da ebuição (>q max: burnout) DE: regime (estáe) de ebuição em peícua (apor em contato com a superfície)

2 EBUIÇÃO NUCEADA Fatores que afetam a transferência e caor em ebuição: - fuxo de caor - propriedades termofísicas do fuido de trabao - características da superfície: propriedades termofísicas do materia, dimensões, forma geométrica, espessura, orientação, rugosidade, entre outros. Neste regime a taxa de transferência de caor é fortemente dependente da natureza da nuceação (número de sítios atios, taxa de formação de boas em cada sítio) e do tipo e condição da superfície

3 Nuceação Mecanismo atraés do qua uma fase começa a surgir no interior de uma outra. É um processo ocaizado e requer superaquecimento para que se desenoa. Nuceação eterogênea: Ocorre junto a uma superfície sóida. Formação de um embrião de apor em uma interface sóido íquido (em sucos, ranuras de uma superfície aquecida submersa em um íquido). A energia necessária para desencadear o processo de mudança de fase é menor deido à presença de sítios de nuceação. Nuceação omogênea: Formação de uma interface apor-íquido (boa) no interior de um íquido superaquecido. -Ocorre na ausência de quaquer núceo de gás/ apor e superfícies sóida. - Um grupo de moécuas com energia significatia pode juntar-se formando uma boa de apor -A energia necessária para formar um embrião é muito maior. -Não existem sítios preferenciais para a nuceação. 3

4 Mecanismos da ebuição nuceada (nuceação eterogênea) CAOR ATENTE: parcea de caor, deido à mudança de fase, transportada peas boas de apor quando estas deixam a superfície aquecida. MICRO-CONVECÇÃO: resuta do caor transferido peo íquido superaquecido na partida da boa de apor. CONVECÇÃO NATURA: transporte de caor sensíe dissipado das porções da superfície aquecida, sem boas de apor, para o fuido deido ao moimento do íquido induzido peos gradientes de densidade. CORRENTES DE MARANGONI (ou efeito Marangoni): causadas peo gradiente de tensão superficia enquanto a boa ainda está sobre a superfície aquecida. A redução das forças de atração entre as moécuas quando a temperatura da superfície aumenta, induz um fuxo conectio tangencia na interface direcionado da maior para a menor temperatura.

5 1. Para a ebuição nuceada saturada e totamente desenoida a TC por caor atente e por micro-conecção são considerados mecanismos primários, pois o efeito das correntes de Marangoni torna-se insignificante quando o íquido está saturado e a conecção natura é desprezíe quando as boas de apor são totamente desenoidas sobre a superfície aquecida resutante do moimento das boas durante o período de crescimento Moimento de íquido (ebuição conectia) Rápida eaporação (ebuição nuceada ) ) 2. Mecanismo aternatio: eaporação da microcamada (Yago, 2006) presença de uma peícua de íquido superaquecido junto à superfície aquecida sobre a qua a boa se expande

6 A TC em ebuição nuceada pode ser cacuada atraés de modeos teóricos que incuam o fenômeno de transporte na micro e macro-região (Stepan e Kern, 2004) Na micro-região, a transferência de caor é goernada pea condução de caor unidimensiona norma à superfície, pea resistência moecuar (deido às forças de adesão) à mudança de fase e peas forças intermoecuares de adsorção. Na macro-região, a transferência de caor é goernada pea condução de caor transiente dentro da camada imite térmica e a eaporação na interface da boa de apor.

7 Boas se formam nas caidades ou ranuras na superfície, que contém núceos de apor ou gás pré-existentes A densidade de sítios atios e a frequência de boas iberadas aumentam com o fuxo de caor ou superaquecimento da parede As boas transportam o caor atente da mudança de fase e também aumentam a transferência de caor por conecção agitando o íquido perto da superfície aquecida. íquido Nuceação Crescimento Partida O crescimento de boas de apor em uma caidade ou sítio de nuceação pode se estender para caidades izinas, causando a atiação destas. O resutado disto é a dispersão rápida da ebuição sobre toda a superfície, com o consequente aumento do coeficiente de transferência de caor, podendo causar uma diminuição rápida e ocaizada da temperatura da superfície.

8 Os mecanismos de crescimento, desprendimento e coapso das boas são infuenciados por propriedades de transporte e termodinâmicos do fuido, como moabiidade, tensão superficia, iscosidade, densidade e temperatura de saturação e características como rugosidade da superfície e natureza do materia da superfície Na Nuceação eterogênea: Considerando o íquido superaquecido, existe um ânguo de contato entre a interface íquido/apor e a superfície. Este ânguo de contato diminui o oume e a superfície necessária para criar a boa de apor e assim, diminui a energia necessária para a aporização: íquidos não moantes (maior ânguo de contato) necessitam menor superaquecimento para o início da ebuição que íquidos atamente moantes (menor ânguo de contato)

9 O mínimo superaquecimento do fuido necessário para que ocorra a ebuição (Carey, 1992): T 2T r sat tensão superficia (N/m) Tsat temperatura de saturação do fuido (K) massa específica do apor (kg/m³) caor atente de aporização (kj/kg) r raio característico da caidade (m) O coeficiente de transferência de caor em ebuição nuceada,, é definido como a razão entre o fuxo de caor e a diferença de temperatura entre a superfície aquecida e de saturação do fuido (T s q" T sat )

10 Métodos e correações para o cácuo do coeficiente de transferência de caor A dependência dos fenômenos de interface íquido-superfície ainda não permite o desenoimento de um modeo físico uniersa que descrea corretamente os mecanismos da transferência de caor entre uma superfície aquecida e um fuido em ebuição nuceada. A compexidade e não reprodutibiidade dos fenômenos, se dee ao fato que as condições de superfície (rugosidade, deposição de materiais estranos ou absorção de gás na superfície) tornam-se fatores inerentes que infuenciam a geração da boa Métodos e correações foram desenoidos para cada regime de transferência de caor indiiduamente, tendo como base modeos para os mecanismos específicos em cada um dos regimes.

11 Gr Ja Bo ],k,,c,,, ), ),g( T [(T p sat s 2 p sat s p 2 3 ) g(, k c, ) T (T c, ) g( f k

12 Números adimensionais 2 3 ) g( Gr 2 ) g( Bo sat s p ) T (T c Ja

13 Principais Infuências sobre o Fenômeno de Ebuição Fuido de trabao Pressão Estrutura da superfície Densidade de Sítios de Nuceação Modo de Aquecimento Propriedades Termo-físicas Ânguo de Contato/Moabiidade Orientação da Superfície Aquecida Aceeração da Graidade

14 Modeos EM Ebuição Nuceada Modeos onde a TC é dominada por conecção na fase íquida e o pape das boas de apor é induzir moimentos conectios no interior do íquido Correação semi-empírica de Rosenow (1962) Considera os mecanismos de TC por EN natura como um transporte conectio de caor da superfície sóida para o íquido adjacente, cujo moimento é causado peo crescimento e partida das boas de apor Anaogia com a conecção forçada turbuenta monofásica promoem o moimento do íquido as boas O cácuo do número de Nusset considera uma ei de potência entre um número de Reynods referente à boa de apor, Re B, e o número de Prandt do íquido, Pr, de forma anáoga ao caso da conecção forçada monofásica (1)

15 Adimensionais Reynods da boa Re B UB B (2) Diidindo Eq. (1), ou Nu, por ReBPr e substituindo Eq. (2) (3) U B cp ou UBcp (3) UB = eocidade = m A q / A q" Subst. em (2) Re B q" B B diâmetro de partida da boa de = apor = ou comprimento capiar C b 2 g( ) 1 / 2 Re B q" Cb 2 g( ) (4)

16 e (Eq.(4) em Eq. (3) O Fuxo de caor (q ) em ebuição nuceada é dado por: q" g( ) 1 / 2 cp (T Csf s T Pr sat s ) 3 (5) É áida para superfícies impas e reatiamente isas Propriedades aaiadas à Tsat

17 Tensão superficia da interface íquido apor para a água Tensão superficia de aguns fuidos Tensão superficia Combinação íquido superfície de aquecimento Csf = Constante experimenta que depende da combinação superfície-íquido s=expoente do Pr

18 Efeito do Csf sobre o cácuo do fuxo de caor

19 Correações para o coeficiente de transferência de caor considerando o efeito do fuido, condições de superfície e materia Correação de Rosenow (1952) Substituindo q = T em (5): g( ) 0,5 C sf cp Pr s 1 / r T 2 Para água s=1; outros fuidos s=1,7 Csf depende do par fuido/superfície (se não for conecido Csf=0,013) Rosenow (1962) recomenda aor fixo para r = 0,33 e portanto 1/r=3 A forma gera dessa correação tem origem na ipótese de que o moimento causado peo crescimento e partida das boas é simiar ao mecanismo de transferência de caor no transporte conectio, onde o número de Reynods é cacuado em função da eocidade ascensiona das boas de apor e do diâmetro da boa. O caor fui da superfície aquecida para o íquido adjacente, como ocorre no processo de conecção sem mudança de fase, e o ato coeficiente de transferência de caor, associado à ebuição nuceada, é o resutado da agitação deste fuido deido à partida das boas.

20 Correação de Stepan e Abdesaam (1980) para fuidos refrigerantes k 207 d b q" D k T b sat 0,745 0,581 Pr 0,533 Rp 0, 133 Pr número de Prandt do íquido Rp a rugosidade da superfície (µm) db comprimento característico - diâmetro de partida da boa Θ é o ânguo de contato íquido/sóido d b 0, g( G ) 0,5 Correação de Cooper (1984) 55pr b 0,55 0,5 0, 67 0,4343n( pr ) M q" b = 0,12 0,08686 n (Rp) Rp rugosidade (m) pr pressão reduzida=p/pc M peso moecuar do fuido q é fuxo de caor (W/m²)

21 Exempo: Ebuição nuceada de água em uma panea A água dee ser ferida à pressão atmosférica em uma panea de aço inoxidáe poido mecanicamente coocada em cima de uma unidade de aquecimento. A superfície interior da base da panea é mantida a 108 C. Se o diâmetro da parte inferior da panea é de 30 cm, determinar: a) o fuxo e a taxa de transferência de caor para a água R: q =64617 W/m²; q=4567,51 W b) a taxa de eaporação da água, em kg/s, m= kg/s c) O coeficiente de transferência de caor por diferentes correações e comparar. Rosenow= 8078 W/m²K d) Anaise o efeito do fuxo de caor na temperatura da superfície. Pote em um gráfico q x Tsup Propriedades na Tsat = 100ºC: cp= 4,217 kj/kgk = 958,4 kg/m³ G = 0,5975 kg/m³ = 0,05891 N/m = 0, Ns/m² Pr=1,787 = 2257 kj/kg Cs,f=0,0132 S=1 q" g( g( G G ) 0,5 1 / 2 C cp C sf cp (T sf Pr s s T Pr sat s 1 / r ) T 2 3