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/m² ºC hebulição = W/m² ºC 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 Características dos fluidos refrigerantes

5 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, os pesquisadores têm sugerido que a transição entre micro e macro escala é resultado das condições de confinamento das bolhas no canal e do balanço entre forças gravitacionais, inerciais, de tensão superficial e de efeitos de molhabilidade.

6 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 > 3 mm - canais convencionais 200 µm < Dh < 3 mm - 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

7 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala - Critérios mecanicistas baseados em: - diâmetro de desprendimento de bolha em um meio infinito; - confinamento de bolhas; - efeitos inerciais; - efeitos de arraste de bolhas, e a molhabilidade do líquido (ângulo de contato, que em caso de diâmetros reduzidos pode manter molhada toda a superfície interna do tubo) Kew e Cornwell (1997): transição relacionada ao grau de confinamento no interior de um canal de uma bolha desprendendo-se da superfície em um meio infinito Nº de confinamento: Co Co = Comprimento capilar ou constante de Laplace: Lc L D c h Lc g( ) L V 1/ 2 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

8 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 (predominam em escoamentos bifásicos em macroescala). O nível de confinamento pode ser analisado por meio do número de Bond, Bo (Yao & Chang, 1983) Bo s Lc Nº de Bond, Bo: razão entre a distância entre as duas superfícies, s, e o comprimento capilar, Lc Também representa: forças de empuxo/forças de tensão superficial (ou interfacial) Lc g( ) L V 1/ 2 Bo 1 Bo 1

9 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

10 Considerando dos fluidos refrigerantes (R134a e R600a) em ebulição em um tubo de aço inoxidável de 2,6 mm de diâmetro interno a temperatura de saturação de 22 ºC. Analise por diferentes critérios o tamanho do tubo e como se pode considerar a escala do escoamento. Mehendal et al. (2000) Kandlikar e Grande (2003) Kew e Cornwell (1997) Triplett et al. (1999) Ullmann e Brauner (2007) e Nº Bo

11 Classificação dos canais critérios de transição entre macro e micro escala Kandlikar (2010): 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) F M q hlv ) 2 D ρ v (N/m) Forças de tensão superficial F S σ cos D θ D σ Forças de cisalhamento F τ μv D 2 D D μv μg ρ D G D Forças de inércia F I ρv l é apropriado antes da nucleação e m é D ρ apropriado no escoamento em duas fases Forças de gravidade F G ( ρ l ρ v )gd 3 / D ( ρ A partir da análise da escala de magnitude destas forças para a água e um fluxo de calor de 1 MW/m² verificou-se que em micro-escala as forças de tensão superficial e forças de evaporação são predominantes. l ρ v ) gd 2

12 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 favorecem 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 elevadas. L V

13 Para canais de diâmetro reduzido Importância relativa da tensão superficial (F S ) e das forças de cisalhamento (F), e diminuição da contribuição dos efeitos de inércia (F I ) O efeito do termo da gravidade (F G ) diminui significativamente, assim não é considerado em correlações do CHF (Fluxo de calor crítico) para microcanais evaporação inércia cisalhamento Tensão superficial A tensão superficial (F S ) é incluída nas correlações de CHF (comportamento na interface em contato com a linha perto da parede) Satish G. Kandlikar. Scale effects on flow boiling heat transfer in microchannels: A fundamental perspective. International Journal of Thermal Sciences 49 (2010) p

14 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 comportamento termo-hidráulico (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 pois poderiam ser incorporados a métodos de previsão e aplicados como ferramentas de projeto de trocadores e dissipadores de calor

15 Crescimento da bolha Macro canais Mini e micro canais Padrão de escoamento anular em macrocanais Padrão de escoamento com expansão da bolha em microcanal

16 Padrões de escoamento Bolhas isoladas Bolhas confinadas Anular em títulos de vapor maiores 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

17 MINI CANAIS MICRO CANAIS

18 Visualização dos padrões de escoamento R-134a X G kg/m²s B P R-600a X G kg/m²s S P S P/S S/C S S/C C C AO C AO AO A A R134a = 8,4 x 10-3 N/m R600a = 1,02 x 10-2 N/m Experimentos realizados no LETEF: mini canal horizontal de 2,6 mm de diâmetro interno de aço inoxidável para diferentes velocidades mássicas, G, fluxos de calor, q e Tsat = 20ºC

19 Diferentes resultados publicados na bibliografia para o efeito dos parâmetros Efeito do G h aumenta e a secagem ocorre a baixos x com o aumento de G h quase independente de G e x até a secagem h aumenta com G, apresenta um platô em x menores e aumenta com x em x maiores h aumenta é quase independente de G e seu valor diminui como aumento de x Efeito do q h aumenta com q para x menores e este valor tende a convergir em alto x h aumenta com aumento de q e x até as condições de secagem h aumenta com o aumento de q e apresenta uma forma V com o aumento do x h aumenta com q e é quase independente do x até a condição de secagem

20 Exemplos de resultados experimentais e o efeito de diferentes parâmetros operacionais 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 dependência do h com o q é maior para X < 0,4 Em altos títulos a dependência diminui e o h também

21 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

22 h [W/m²K] Efeito da temperatura de saturação R-134a Tsat R-134a (10-3 N/m) L kg/m³ µv µpas hlv kj/kg 12 (ºC) 9, ,07 189,1 22 (ºC) 8, ,28 180,5 Efeito do diâmetro G = 188 kg/m²s; q" = 56 kw/m² D = 1 mm D = 2.6 mm 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x [-] h aumenta com Tsat h aumenta com Tsat para baixos x e este efeito torna-se desprezível para altos x. h aumenta com o decréscimo do diâmetro do tubo até o x de secagem

23 hr-600a > hr-134a: < L e > kl do R-600a > h kl kv µl µv W/mK µpas R-134a 0,082 0, ,3 11,57 R-600a 0,09 0, ,1 7,42 i fg do R-600a 2x i fg do R-134a: TC mais compactos do R-600a reduz carga de refrigerante L kg/m³ R-134a 0, ,034 R-600a 0,0018 0,119 V hlv cpl cpv kj/kg kj/kgk R-134a 180,5 1,41 1,01 R-600a 332,4 2,4 1,79 Comparação R-600a e R-134a

24 Propriedades desejáveis de um refrigerante para um alto coeficiente de desempenho (COP) de um sistema de refrigeração Calor latente, h lv Temperatura crítica, Tc Condutividade térmica líquido, k l Massa específica vapor, v Calor específico vapor, cp v Viscosidade líquido, l Peso molecular, M alto X X X X X baixo X X

25 Mapas de padrões de escoamento 1. Macrotubos Wojtan et al. (2005) Fluidos R-22 e R-410A Diâmetros 8 a 13,84 mm padrões: S: Stratificado e SW: Stratificado ondulado Sl+SW: Slug+Stratificado ondulado e Sl: Slug I: Intermitente A: Anular D: Dryout M: névoa

26 R-134a Aplicação do mapa para mini tubo com R134a 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 O padrão estratificado não foi observado

27 R-600a Churn Anular Churn Anular Também para o R600a mostra a dependência de q Baixo q : Os padrões identificados foram slug, churn e anular, mas no mapa o slug está situado na região de padrão intermitente Alto q : os dados estão na região de dryout no mapa, para menores G que R- 134a O padrão estratificado não foi observado nos dados experimentais.

28 Mapa de padrões de escoamento 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 padrões: IB: bolha isolada (micro canal) ou PS (Plug/Slug) (maior escala) CB: bolhas coalescentes A: Anular Diâmetro do canal diminui a bolha torna-se confinada e então alongada: limite é Co = 0,5

29 G [kg/m²s] R-134a (Co=0,325) mini canal R-600a (Co=0.53) microchannel CB Slug Churn Anular 600 Anular Plug-Slug 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 X [-] Fluxo de calor não altera significativamente as curvas de transição A transição CB/A é alcançada quando as FI dominam sobre a tensão superficial (F S ), promovendo a coalescência; em regime anular a tensão de cisalhamento F ganha peso. Para maiores G a transição CB/A ocorre a baixos X Os dados identificados como padrão de escoamento slug estão na região CB For R-600a (HC) is more difficult to differentiate churn flow pattern of annular For both refrigerants the transition curves could be displaced to the higher vapor qualities

30 Kew, P.A. Cornwell, K., Correlations for prediction of boiling heat transfer in small diameter channels. Applied Thermal Engineering Vol. 17-A, p Kandlikar, S.G., 2010, Scale effects on flow boiling in microchannels: a fundamental perspective. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 49, p Ong, C.R.; Thome, J.R., 2011, Macro-to-microchannel transition in two-phase flow: Part 1 Two-phase flow patterns and film thickness measurements. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 35, p Ullmann, A., Brauner, N., 2007, The prediction of flow pattern maps in minichannels. Multiphase Science and Technology, Vol. 19, No. 1, pp Wojtan, L., Ursenbacher, T., Thome, J.R., Investigation of flow boiling in horizontal tubes: Part I A new diabatic two-phase flow pattern map. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48. P