Ebulição em mini e microcanais

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1 Ebulição em mini e microcanais Micro canais vs Macro canais Coeficiente de transferência de calor maior Ex: canal quadrado de 0,2 mm hágua = W/m²ºC hebulição = W/m²ºC Operação em pressões elevadas Capacidade maior de remoção de calor para uma dada vazão mássica de refrigerante Razões elevadas entre área de contato e volume do trocador Redução do tamanho do trocador Redução dos custos iniciais e operacionais Ampliação para o uso de refrigerantes considerados tóxicos

2 Aplicações Evaporadores e condensadores compactos placa-aletas Bombas de calor AC condicionado automotivo Aeroespacial Indústrias criogênicas

3 Aplicações da microeletrônica (D< 200 m) Resfriamento de dispositivos eletrônicos Impressoras a jato de tinta, multiplexadores ópticos, etc Lasers de alta potência MEMS (micro mechanical systems) aplicados à engenharia, pesquisa biomédica e genética)

4 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala Inicialmente, critérios de transições entre micro e macro-escala foram propostos baseados apenas nas dimensões dos canais e nos processos de manufatura, sem incorporarem aspectos mecanicistas de transferência de calor e perda de pressão. A maioria dos autores apenas especulou sobre os mecanismos físicos relevantes e a ebulição nucleada era apontada como o principal mecanismo, até mesmo em títulos de vapor elevados sob condições de escoamento anular. Atualmente, pesquisadores têm sugerido que a transição entre micro e macro escala é resultado não apenas das condições de confinamento das bolhas no canal, mas do balanço entre forças gravitacionais, inerciais, de tensão superficial e de efeitos de molhabilidade.

5 Classificação não evidencia alterações de comportamento dos parâmetros de projetos como a perda de pressão, o coeficiente de transferência de calor e o fluxo crítico Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala - Critérios baseados em técnicas de fabricação, aplicações e condições de confinamento de bolhas Mehendal et al. (2000): microcanais (1-100 µm) mesocanais (100 µm -1 mm) macrocanais (1-6 mm) canais convencionais (Dh > 6mm) Kandlikar e Grande (2003): consideraram na classificação as aplicações dos tubos e canais Dh > 3mm - canais convencionais 200µm < Dh < 3mm - minicanais (trocadores de calor compactos) e efeitos de rarefação de gases (nº adimensional de Knudsen = comprimento do caminho livre molecular (distância entre duas colisões sucessivas da molécula de um gás)/comprimento representativo do fenômeno estudado (diâmetro hidráulico do canal) µm - microcanais 1 10 µm - microcanais de transição 0,1 1 µm - nanocanais de transição Dh < 0,1 µm - nanocanais moleculares

6 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala - Critérios mecanicistas propostos baseados em: - diâmetro de desprendimento de bolha em um meio infinito, - confinamento de bolhas, - efeitos inerciais, de arraste de bolhas, e a molhabilidade do líquido através do ângulo de contato, que em caso de diâmetros reduzidos pode manter molhada toda a superfície interna do tubo Kew e Cornwell (1997): a transição entre micro e macro escala está relacionada ao grau de confinamento no interior de um canal de uma bolha destacando-se da superfície em um meio infinito Nº de confinamento: Co Co Lc Dh Lc é o comprimento capilar, Lc, ou também denominada constante de Laplace ( ) Lc g L V Efeitos de confinamento tornam-se relevantes se Co > 0,5 (microcanal) Critério razoável, pois quando o diâmetro de desprendimento de bolha torna-se superior a dimensão característica do canal, o processo de crescimento da bolha é limitado pela geometria do canal, afetando a dinâmica do escoamento bifásico e o processo de TC 1/ 2

7 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala Triplett et al. (1999): para Co 1 comportamentos em micro-escala Para escoamentos bifásicos ocorrendo em canais com Dh < Lc, efeitos de tensão superficial predominam em relação aos gravitacionais e inerciais. Razões de escorregamento entre as fases menores. Inexistência de processos interfaciais governados por instabilidades de Taylor, que predominam em escoamentos bifásicos em macro-escala. o nível de confinamento pode ser analisado por meio do número de Bond, Bo (Yao & Chang, 1983) Adimensional, definido como a razão entre a distância entre as duas superfícies, s, e o comprimento capilar, Lc. Bo s Lc Lc ( ) g L V 1/ 2 Bo 1 Bo 1 O nº Bond (ou de Eötvös), Bo, também representa a relação: forças de empuxo/forças de tensão superficial (ou interfacial)

8 Ullmann e Brauner (2007): baseados na análise da transição entre padrões de escoamento, observaram que métodos de previsão de padrões de escoamento desenvolvidos para canais convencionais não são adequados para condições com nº de Bond - Bo < 1 Critério de transição entre minicanais e canais convencionais segundo alguns autores

9 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala Kandlikar (2009): analisou o efeito de 5 forças durante a ebulição convectiva, e como as magnitudes relativas se alteram com a variação do diâmetro do canal, são: Forças de evaporação (causadas pela expansão do líquido devido à mudança de fase) Forças de tensão superficial Forças de cisalhamento Forças de inércia Forças de gravidade A partir da análise da escala de magnitude destas forças para a água e um fluxo de calor de 1MW/m² verificou-se que em micro-escala as forças de tensão superficial e relacionadas à evaporação são predominantes.

10 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala Algumas pontos a salientar do estudo: Para G reduzido e Dh < 1 mm: forças de tensão superficial predominam (magnitude das forças de inércia, empuxo e tensão superficial são próximas); Para G de 100 a 1000 kg/m²s: forças inerciais predominam para Dh > 20 m e a magnitude das forças de tensão superficial e empuxo coincidem para Dh = 1 mm. Os efeitos inerciais e de tensão superficial favorecerem a uniformidade da espessura do filme líquido ao longo do perímetro do tubo, dificultando o estabelecimento do padrão estratificado. Entretanto, efeitos inerciais favorecem o padrão anular, enquanto efeitos de tensão superficial escoamentos intermitentes. A escala de magnitude de forças de evaporação tem sua relevância relativa elevada com a redução de G e Tsat. A magnitude das forças de evaporação em relação às demais indicam a ocorrência de um fenômeno denominado de ebulição explosiva, relacionando a expansão de uma bolha em condições confinadas, o qual é favorecido por G reduzido e L elevadas. V

11 evaporação inércia cisalhamento Tensão superficial Importância relativa da tensão superficial e das forças de cisalhamento para diâmetros reduzidos, e contribuição dos efeitos de inércia reduzida. O termo da gravidade diminui significativamente para diâmetros menores Assim não é considerado em correlações do CHF (Fluxo de calor crítico) para microcanais A tensão superficial é incluída nas correlações de CHF (comportamento na interface em contato com a linha perto da parede) O termo de cisalhamento também torna-se importante na microescala.

12 Embora existam vários critérios propostos para distinguir entre EC em condições de micro e macro escala - Esta distinção é necessária? - Esta transição é observada? - A transição é gradual ou abrupta? Os estudos devem focar principalmente na identificação de características do escoamento bifásico e comportamentos termo-hidráulicos (coeficiente de transferência de calor, fração de vazio superficial, perda de pressão e fluxo de calor crítico) que possam distinguir a ebulição em condições de micro e macro escala Estes resultados seriam úteis de um ponto de vista prático por poderiam ser incorporados a métodos de previsão e aplicados como ferramentas de projeto de trocadores e dissipadores de calor

13 Crescimento da bolha Macro canais Mini e micro canais Comparação do padrão de escoamento anular em macro canais e o padrão de escoamento com expansão da bolha em mini e micro canais

14 Padrões de escoamento Bolhas isoladas Bolhas confinadas Anular em altos títulos Influência do fluxo de calor (indicando domínio da EN na região de bolhas isoladas) Efeitos convectivos: Rápida evaporação e crescimento das bolhas de vapor após nucleação causa fluxo reverso

15 MINI CANAIS MICRO CANAIS

16 Visualização dos padrões de escoamento R-134a X G kg/m²s R-600a X G kg/m²s Experimentos realizados no LETEF: mini canal horizontal de 2,6 mm de diâmetro interno de aço inoxidável para diferentes velocidades mássicas e fluxos de calor

17 Resultados para análise do efeito de diferentes parâmetros R-134a G = 440 kg/m²s Efeito do fluxo de calor, q no h R-600a G = 280 kg/m²s h aumenta com o q A dependencia do h com o q é maior para X < 0.4 Em altos títulos X a dependência diminui e o h também

18 R-134a Efeito da velocidade mássica, G no h R-600a para baixos q, se o G aumenta o h também para altos q o h é maior e quase indepenente de G O aumento no h ocorre em baixos x para altos G

19 Efeito do G Diferentes resultados para o efeito dos parâmetros publicados na bibliografia Efeito do q

20 Efeito da temperatura de saturação R-134a Tsat R-134a (10-3 N/m) L kg/m³ µv µpas hlv kj/kg 12 (ºC) (ºC) Efeito do diâmetro

21 hr-600a > hr-134a: menor L e maior kl of R-600a maior h kl kv µl µv W/mK µpas R-134a R-600a i fg do R-600a 2x i fg do R-134a: TC mais compactos > Volume específico do R-600a reduz carga de refrigerante L kg/m³ R-134a R-600a V hlv cpl cpv kj/kg kj/kgk R-134a R-600a Comparação R-600a e R-134a

22 Resumo dos valores desejáveis de propriedades de refrigerante para um alto COP

23 Mapas de padrões de escoamento Macrotubos Wojtan et al. (2005) Fluidos R-22 e R-410A Diâmetros 8.0 a mm padrões: S: Stratificado SW: Stratificado ondulado Sl+SW: Slug+Stratificado ondulado Sl: Slug I: Intermitente A: Anular D: Dryout M: névoa

24 Mapas de padrões de escoamento Macrotubos Wojtan et al. (2005) Fluidos R-22 e R-410A Diâmetros 8.0 a mm R-134a padrões: S: Stratificado SW: Stratificado ondulado Sl+SW: Slug+Stratificado ondulado Sl: Slug I: Intermitente A: Anular D: Dryout M: névoa Mapa mostra dependência do q Conforme q aumenta a inclinação das curvas de transição é diferente, diminuindo a extensão da região A e aumentando D e M Baixos q : Os padrões de escoamento estão na região intermitente Altos q : os dados vão da região intermitente diretamente para o dryout Para maiores G, a diminuição do h e a transição do padrão ocorrem em menores x

25 R-600a Similar ao R-134a, o mapa aplicado aos dados do R600a mostram dependência do q Baixos q : os padrões de escoamento identificado foram slug, agitado e anular, mas no mapa o slug está na região intermitente Altos q : os dados estão na região de dryout, para menores G que o R-134a O padrão estratificado não foi observado

26 Mini/microtubos: Ong and Thome (2011) Fluidos R-134a, R-245fa and R-235fa Diâmetros 0.5 to 3.0 mm Transição macro a micro canal Mapa de padrões de escoamento Diâmetro do canal diminui a bolha torna-se confinada e então alongada padrões: IB: bolha isolada (micro canal) ou PS (Plug/Slug) (maior escala) CB: bolhas coalescentes A: Anular limite é Co = 0.5

27 G [kg/m²s] R-134a (Co=0.325) mini canal CB Slug Churn Anular 600 Annular Plug-Slug 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 X [-] Fluxo de calor não altera significativamente as curvas de transição CB/A transition is reached when the inertial force dominates over surface tension force, promoting coalescence; in annular regime the shear force gain domain For higher G the CB/A transition occurs at lower X The data identified as slug pattern are in CB region

28 R-600a (Co=0.53) microchannel As R-134a, the data identified as slug pattern are in CB region For this refrigerant it is more difficult to differentiate churn flow pattern of annular For both refrigerants the transition curves could be displaced to the higher vapor qualities. Ong, C.R.; Thome, J.R., Macro-to-microchannel transition in twophase flow: Part 1 Two-phase flow patterns and film thickness measurements. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 35, p

29 Comparison flow patterns of R-134a and R-600a R-600a has higher surface tension ( =10.45 x 10-3 ) than R-134a ( =8.48 x 10-3 ) and the lower and increase degree of vapor phase expansion The transitions curves of R-600a are shifted to minor vapor qualities, sometimes anticipating the patterns transition The ifg of R-600a 2x ifg, affecting the Bo number and then IB/CB transition line