Ebulição em escoamento (Flow boiling)

Transcrição

1 Ebuição em escoamento (Fow boiing) Apicações: Geradores de apor em pantas de potência Eaporadores em equipamentos de rerigeração e ar condicionado Eeitos do desequiíbrio nos sistemas biásicos e com mudança de ase Desequiíbrio hidrodinâmico no escoamento Desenoimento de escoamentos em bohas, com a coaescência, e anuares com goadas de íquido no núceo de apor (adiabáticos) Nos processos diabáticos as taxas de escoamento das respectias ases mudam ao ongo do cana. Ex: Ocorrência dryout (secagem) em uxos anuares, onde a peícua íquida na parede seca, enquanto que, uma grande proporção do uxo íquido origina continuará a uir no cana em orma de gotícuas. Peícua de íquido aeta o gradiente de pressão, e uso de correações para o escoamento adiabático não é adequado.

2 Desequiíbrio termodinâmico no escoamento com mudança de ase Na aporização e condensação se az a suposição de que há equiíbrio termodinâmico entre as duas ases, assumindo que eas coexistem na sua Tsat Embora uma boa aproximação é supor o equiíbrio termodinâmico oca, apicado às interaces íquido-apor, gradientes de temperatura no interior das ases podem dar origem a situações em que, em média, o escoamento se aasta do equiíbrio. Ex: Ocorrência de escoamento em bohas e na presença de um íquido subresriado; na média, a entapia do uido < entapia na saturação, embora o escoamento em duas ases esteja ocorrendo. Coexistência de gotícuas de íquido e apor atamente superaquecido na região pós-dryout. As gotas podem persistir no escoamento, embora a entapia seja maior do que aquea para o apor saturado

3 Padrões de escoamento No escoamento gás-íquido as interaces são deormáeis e existem diersas maneiras em que estas podem ser distribuídas dentro do escoamento Tipos de características de distribuição interacia Denominados padrões de escoamento ou regimes de escoamento. Auxiiam no desenoimento de modeos de escoamento gás-íquido. A cassiicação dos padrões depende em grande parte da obseração isua, e assim uma ariedade de padrões oram identiicados e deinidos na iteratura. Cassiicação gera dos padrões Escoamento Disperso Escoamento Separado Escoamento Intermitente

4 Padrões de escoamento íquido - azu gás/apor - branco Escoamento Disperso - Uma ase dispersa em outra Escoamento em bohas: bohas de apor dispersas no íquido Escoamento em gotas: ase íquida dispersa como gotícuas na ase apor Escoamento Separado - Duas ases escoam em regiões separadas no cana e interagem na interace Escoamento estratiicado Escoamento anuar Escoamento Intermitente - Escoamento em duas ases apresenta utuações, intermitências Pug Sug Bohas aongadas Bohas aongadas e goadas

5 Deinições Taxa de massa (kg/s) Veocidade mássica (kg/sm²) V Vazão (m³/s) Veocidade U V A (m/s) m V UA G m A U Títuo de apor (-) Veocidade supericia das ases x m m G G U xg xg G U U (1 x )G

6 Deinições Fração de azio (-) em área ou oume α V V Fração de íquido (-) α 1 α A A Veocidades das ases (m/s)

7 Escoamento em tubos circuares Apicações: tubuações de óeo e gás, sistemas com aporização (como termossiões, reeredores em processos industriais, cadeiras tubuares em geração de potência) e com condensação (trocadores de caor casco e tubos, trocadores a ar) Tubos retos Somente escoamento co-corrente Orientação: tubos erticais, horizontais e incinados Padrões de escoamento em tubos erticais Não há superície ire para o apor. Líquido e apor escoam juntos Exibe dierentes regimes de ebuição em unção das quantidades reatias de íquido e apor Peri de temperatura Padrões de escoamento Líquido subresriado: coneção orçada. Formação de bohas na superície interna do tubo e são eadas para o núceo de íquido 3. Bohas crescem e ormam pistões de apor 4. Líquido se imita ao espaço anuar entre o núceo de apor e as paredes 5. Pontos secos 6. Gotícuas de íquido suspensas no apor (néoa) e secagem competa

8 bohas pistonado agitante anuar anuar néoa (bubbe) (sug) (churn) (wispy-annuar) Escoamento em bohas: ase íquida continua e bohas dispersas dentro do íquido Escoamento pistonado ou com goadas (Sug ou pug): ocorre coaescência das bohas e o diâmetro da boha se aproxima do diâmetro do tubo. Contém bohas dispersas menores. Escoamento agitante (churn): com o aumento da eocidade do gás, os pistões se rompem (goadas) conduzindo a um regime instáe. Conorme a taxa de uxo de gás aumenta, o escoamento apresenta ondas que são arridas da superície do tubo com imes íquidos entre eas, uindo iniciamente para cima e depois reertendo a direção Escoamento anuar: O íquido escoa sobre a parede do tubo, como um ime e a ase gasosa escoa no centro. Gotícuas de íquido são arrastadas no núceo de gás. Escoamento anuar néoa: À medida que a taxa de escoamento do íquido aumenta, a concentração de gotas na região centra de gás aumenta. A coaescência e outros processos eam ormação de grandes agomerados de íquido no núceo de gás.

9 Padrões de escoamento em tubos erticais Boha dispersa arágua =5,1% Escomento em bohas início coaescência =10,3% Escomento em bohas ormação de custers =13% Escomento em bohas primeiros sugs =15,4% Escomento sug com bohas =17% Coaescência de duas bohas =15,4% Fração de azio

10 Padrões de escoamento em tubos erticais Visão axia do escoamento anuar em tubo ertica Visão atera do escoamento sug Visão atera do escoamento churn

11 Mapas de Padrões de Escoamento tubos erticais A identiicação de padrões é importante para o desenoimento de modeos mais enomenoógicas. Os dados são representados em termos de mapas de padrões de escoamento: (1) Mapa de padrão de escoamento especíico: os dados para um determinado conjunto de condições (diâmetro do tubo, orientação e propriedades ísicas dos uidos, etc.) são apresentados em termos de ariáeis como eocidades supericiais das ases (U e U) ou eocidade mássica (G) e títuo de apor (x). (1) Mapa de padrão de escoamento gera: é aquee em que as transições entre os padrões podem ser representadas para uma ampa gama de uidos, propriedades ísicas, diâmetros de tubos. São representados em termos de uxos de momentum supericia: (U ) Anuar Anuar néoa (U ) Curas de transições entre regimes: Agitante Pug e Sug Pistonado Bohas - Transição bohas sug - Transição sug agitante - Transição agitante - anuar Mapa de padrão de escoamento para tubo ertica (Hewitt e Roberts)

12 Padrões de escoamento em tubos horizontais Regimes tendem a ser mais compexos que o escoamento ertica. Assimetria induzida pea orça graitaciona agindo norma à direção do escoamento Líquido no undo e apor no topo Escoamento intermitente Escoamento de bohas dispersas: bohas dispersas na ase íquida que tendem a se juntar no topo Escoamento estratiicado: eeito graitaciona separação íquido no undo do tubo e apor ao ongo do topo. Escoamento estratiicado onduado: atas eocidades de apor ormam ondas na interace íquido-apor Escoamento intermitente: a) Pug: bohas aongadas que tendem a se moer mais próximas do topo; b) Sug: bohas aongadas e goadas; no semi-sug o sug toma orma de uma onda na superície da camada estratiicada no undo do tubo Escoamento anuar e disperso: Simiar ao ertica, mas a espessura do peícua de íquido não é uniorme. Em gera é mais ino no undo que no topo deido ao eeito da graidade.

13 Mapas de Padrões de Escoamento tubos horizontais Interesse em mapas padrão de escoamento horizontais, particuarmente no início dos escoamentos intermitentes. Baseados em considerações semi-empíricas Potados em termos de grupos adimensionais, e o X (parâmetro de Martinei) ou G e x Mapa de padrão de escoamento para tubo horizonta (Taite e Duker, 1976) Mapa de padrão de escoamento para R, 5 ºC em tubo de 13,84 mm usando G=100kg/m²s e q =,1 kw/m² para o cácuo das curas de transição

14 Modeamento A característica dos padrões de escoamento gás-íquido apresenta diicudades de cassiicação, pois um padrão pode ter características de duas ou mais das categorias. No escoamento anuar, parte do íquido é disperso no núceo do apor, azendo com que o escoamento seja simutaneamente disperso e separado. Bohas são arrastadas por pistões de íquido em goadas, azendo com que o escoamento seja simutaneamente intermitente e disperso Objetio Preer o gradiente de pressão e rações das ases: ração de azio (em reação ao apor), e iquid hod-up (em reação ao íquido) Considerar: As eocidades das duas ases podem ser dierentes: S = u u (razão de desizamento) Na mudança de ase os parâmetros hidrodinâmicos importantes são: tensão de cisahamento, a requência da intermitência, extensão do arraste do íquido no escoamento anuar, etc.

15 A queda de pressão tota em escoamento biásico é geramente considerada como a soma de três componentes: aceeração, graitaciona e atrito p p ac p g p p ac decorre de mudanças no uxo da mistura ao ongo do cana, a eocidade do apor aumenta ou diminui como um resutado da ebuição ou da condensação. p g reacionada com a densidade média da mistura e a ração de azio p reacionada com a tensão de cisahamento na parede (perda)

16 1. Modeo Homogêneo Este modeo considera o escoamento biásico como um escoamento de um pseudouido que obedece às equações que descreem um escoamento monoásico, considerando as propriedades médias das ases íquido e apor. A eocidade das ases é considerada igua, portanto o ator de desizamento, S, é 1 S u u 1 As componentes de aceeração e graitaciona da perda de pressão podem ser cacuadas diretamente a partir de ariáeis independentes Para a componente do atrito é necessário uma correação, considerando como escoamento monoásico e usando a iscosidade média. Fração de azio (S=1) α x x (1 x ) Propriedades na mudança de ase (TP) Massa especíica TP H Viscosidade μ TP xμ x (1 (1 x ) μ x )

17 g ac Componente graitaciona ( / ) TP gsenθ ( / ) ac p g ghsenθ H atura ertica g TP Componente da aceeração 1 A d G TP A 1 A d G x A α G (1 x ) A (1 α ) Ânguo com reação à horizonta Componente do atrito ( / ) TPG DTP Correação para o ator de atrito TP TP TP TP 16 A Re Re B 1 0,079 Re 0,046 Re 0,5 0, Re TP Re TP < 000 GD μ TP 000 Re TP 0000 Re TP 0000

18 Exempo: Usando o modeo homogêneo para o cácuo da perda de pressão no escoamento biásico: Considere o escoamento biásico ascendente em tubo ertica de 10 mm de diâmetro interno e m de comprimento. O escoamento é adiabático, a taxa de massa é de 0,0 kg/s e o títuo de apor é de 0,05. O uido rerigerante é o R13 e a temperatura de saturação é de 3 ºC. a) Qua a pressão de saturação? b) Quais as componentes da graidade, aceeração e atrito? c) Qua a perda tota?

19 . Modeo de escoamento de ases separadas Considera as duas ases escoando em regiões separadas e com dierentes eocidades. As equações que descreem o escoamento (continuidade, momentum e energia) estão em orma combinada. Para cacuar as componentes da aceeração e graitaciona, é necessário uma correação para ração de azio Para o gradiente de pressão por atrito, uma correação separada é necessária. Modeo mais preciso do que o Homogêneo, mas correações empíricas são necessárias.

20 g ac O modeo considera as duas ases artiiciamente separadas em duas correntes, cada uma uindo em seu próprio tubo. As áreas dos dois tubos são proporcionais à ração de azio,, u V u L S1 ( / ) g TP gsenθ p g TP ghsenθ Para tubos horizontais é zero (H=0), e em tubos erticais sen =1 A queda de pressão por aceeração reete a ariação na energia cinética do escoamento p ac G x α (1 x ) (1 α ) s x α (1 x ) (1 α ) É cacuado para títuo de apor na saída (s) e na entrada (e). Ecs > Ece, pois < Métodos são disponíeis para predizer, por exempo Rouhani e Axesson (1970) e α x 1 0,1(1 x ) x (1 x ) 1,18(1 x )[ gσ( G 0,5 )] 0,5 1

21 Para o gradiente de perda por atrito usa-se os mutipicadores biásicos Gradientes monoásicos φ Fase íquida () ( / ), G (1 D x ) φ Fase apor () ( / ), G D x Somente íquido (o) φ o o ( / ),o o D G Somente apor (o) φ o o ( / ),o o D G

22 Cácuo do Fator de atrito,, para os gradients monoásicos A Re B 16 Re 1 Re < 000 0,079 Re 0,5 000 Re ,046 Re 0, Re 0000 Parâmetro de Martinei X tt ( ( / / ) )

23 Correações para os mutipicadores biásicos.1 Correação de Chishom (1967) φ φ 1 C X tt 1 CX tt X 1 tt X tt Re > 4000 Re < 4000 C depende da natureza do escoamento (aminar ou turbuento) com escoamento em ase única (íquido e apor escoam indiiduamente no tubo) Vaores da constante C conorme o regime de escoamento Líquido Vapor C T T tt 0 L T t 1 T L t 10 L L 5

24 . Correação de Lockhart e Martinei (1949) φ o o _ 1, 75 o (1 x ) φ = φ φ,tt 1 C X tt X 1 tt Re > 4000 φ,tt 1 CX tt X tt Re < 4000 Parâmetro de Martinei para ambas as ases turbuento (tt) X = tt _ 1 x x 0,9 0,5 μ μ 0,1

25 .3 Correação de Chishon (1973) Considerou o eeito do G e propôs correação para 0 x 1: φ Y o ( ( / ) / ) o o o φ o 0 < Y < 9,5 1 9,5 < Y < 8 n n 1n Y 1 Bx (1 x ) x 55 B 1 / G 400 B G B 4,8 B B / YG G 1900 kg/m²s 500 < G < 1900 kg/m²s G < 500 kg/m²s G 600 kg/m²s G > 600 kg/m²s n=0,5 Y > 8 B Y G 1 /

26 .4 Correação de Friede (1979) Baseada em 5000 pontos experimentais para tubos erticais e horizontais circuares φ o E Fr 3,4FH 0,045 φ We o 0,035 o E (1 x ) x o o F x 0, 78 (1 x ) 0,4 H 0,91 μ μ 0,19 1 μ μ 0 7, Números adimensionais Número de Froude, Fr (eeitos de estratiicação) Fr G gd H H x (1 x ) Número de Weber, We (razão entre orças de inércia e tensão supericia) We G H D σ

27 Modeos para ração de azio α 1 B B 1 x x n1 n μ μ n3 1 modeo B B n1 n n3 Homogêneo Zii 1 1 0,67 0 Wais 1 0,7 0,4 0,08 L&M 0,8 0,64 0,36 0,07 Thom 1 1 0,89 0,18 Baroczy 1 0,74 0,65 0,13

28 Exempos modeo de ases separadas 1. R1 a 333 kpa escoa adiabaticamente de uma áua de expansão à entrada de um eaporador em um tubo de 0,7 m de comprimento e diâmetro de 1 cm. A eocidade mássica é 50 kg/m²s e o títuo de apor de 0,5. Da áua para a entrada do eaporador o escoamento se eea 0,5 m. a) Qua o padrão de escoamento? Usar o mapa de padrões de Hewitt e Roberts. b) Qua a ração de azio? c) Qua a perda de pressão graitaciona? d) Qua a perda de pressão por atrito? Veriicar por dierentes modeos.. Água deixa um eaporador a 90% de títuo e escoa ao ongo de um tubo horizonta de 3 m de comprimento e cm de diâmetro. Caor é adicionado uniormemente ao ongo do tubo de modo que na saída o títuo é 100%. A eocidade mássica é 600 kg/m²s e a pressão na entrada é 3773 kpa. Determine a perda de pressão ao ongo do tubo, considerando como apor saturado puro uindo sozinho no tubo.

29 Modeo de dois uidos As equações da continuidade, momentum e energia são escritas para as duas ases separadas (tota de 6 equações) Também são necessárias reações para a transerência de massa, momento, energia entre as interaces e para tensão de cisahamento na parede para as respectias ases. O empirismo não pode ser eitado neste tipo de modeo. As reações empíricas desenoidas para a interace e termos da parede são mais gerais do que aqueas do modeo de ases separadas. Modeos enomenoógicos Baseados em obserações experimentais dos enômenos que ocorrem no escoamento biásico podem dar uma mehor indicação da orma de modeo a ser adotado. Exempos: - modeagem do escoamento sug considerando parâmetros como requência dos sugs, a taxa de escoamento de íquido atrás do sug, etc. - escoamento anuar que considera os processos de arraste e deposição. Tais modeos representam os processos mais detahados e agumas ezes é possíe representar o escoamento estendendo o modeo de dois uidos a mútipos uidos. Exempo: representar as gotícuas no escoamento anuar como um campo separado onde mais três equações são adicionadas. Não é adequado para escoamentos intermitentes, como goadas.