Mecanismos da ebulição nucleada (nucleação heterogênea)

Documentos relacionados
2. Estudo da ebulição mecanismos e modelamento

UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA Correcção 2º Teste Transmissão de Calor e Massa

UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE Faculdade de Engenharia. Transmissão de calor. 3º ano

Características do escoamento interno adiabático em tubos circulares

FLUXO DE CALOR CRÍTICO

n x = qualidade da mistura idêntico para diagrama T-v) v l v v v B Relativamente a estados de mistura saturados :

4 DEFINIÇÃO DA GEOMETRIA, MALHA E PARÂMETROS DA SIMULAÇÃO

Ebulição em escoamento

5. Convecção com Mudança de Fase. 5.1 Transferência de Calor na Condensação Filme Laminar sobre uma Superfície Vertical

Ebulição em escoamento (Flow boiling)

Ebulição e Condensação. Profa. Jacqueline Copetti. LETEF Laboratório de Estudos Térmicos e Energéticos

Transferência de Calor 1

ESTE Aula 1- Introdução à convecção. A camada limite da convecção

SIMULAÇÃO DO ESCOAMENTO DE MISTURAS DE REFRIGERANTES EM TUBOS CAPILARES UTILIZANDO MODELO DE FASES SEPARADAS

Capítulo 5. Transferência de Calor com Mudança de Fase (Ebulição e Condensação)

Análise teórica Fluidodinâmica e transferência de calor na solução aquosa

TRANSP. BRAS. GAS. BOLÍVIA-BRASIL GERAL SIMULAÇÃO ÍNDICE DE REVISÕES DESCRIÇÃO E / OU FOLHAS ATINGIDAS

Aula 21 Convecção Natural

Mecanismos de transferência de calor

- Parâmetro de Martinelli, Xtt empregado nos modelos de perda de pressão, útil para microcanais

ENGENHARIA DE MATERIAIS. Fenômenos de Transporte em Engenharia de Materiais (Transferência de Calor e Massa)

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO

Operações Unitárias II Lista de Exercícios 1 Profa. Dra. Milena Martelli Tosi

5 Resfriamento de Gás

Prof. MSc. David Roza José 1/26

TRANSMISSÃO DE CALOR II. Prof. Eduardo C. M. Loureiro, DSc.

3. CONVECÇÃO FORÇADA INTERNA

3 Coeficientes Locais de Transferência de Calor e Queda de Pressão dos Fluidos

Transferência de Calor Condução e Convecção de Calor

h coeficiente local de transferência de calor por convecção h coeficiente médio de transferência de calor por convecção para toda a superfície

OPERAÇÕES UNITÁRIAS II AULA 1: REVISÃO TRANSFERÊNCIA DE CALOR. Profa. Dra. Milena Martelli Tosi

EM-524 : aula 13. Capítulo 06 Escoamento Externo Efeitos Viscosos e Térmicos

ESTE Aula 2- Introdução à convecção. As equações de camada limite

Lei de Fourier. Considerações sobre a lei de Fourier. A lei de Fourier é fenomenológica, isto é, desenvolvida de fenômenos observados.

Transferência de Calor

Diagrama de fases de uma substância pura

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA. Guia do ensaio de laboratório para as disciplinas:

UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE

Lista de exercícios Caps. 7 e 8 TMEC-030 Transferência de Calor e Massa Período especial 2017/2

ESZO Fenômenos de Transporte

Expansão Térmica de Sólidos e Líquidos. A maior parte dos sólidos e líquidos sofre uma expansão quando a sua temperatura aumenta:

Transferência de calor com mudança de fase: Ebulição e Condensação

Convecção Forçada Externa

FENÔMENOS DE TRANSPORTES AULA 12 E 13 INTRODUÇÃO À CONVECÇÃO E CONDUÇÃO

h coeficiente local de transferência de calor por convecção h coeficiente médio de transferência de calor por convecção para toda a superfície

AULA 18 CONVECÇÃO NATURAL OU LIVRE

Transferência de Calor

No escoamento sobre uma superfície, os perfis de velocidade e de temperatura têm as formas traduzidas pelas equações:

Exame de Admissão 2016/1 Prova da área de termo fluidos Conhecimentos específicos

Classificação de Trocadores de Calor

Universidade Federal de Sergipe, Departamento de Engenharia Química 2

Universidade Federal do ABC. EN 2411 Aula 10 Convecção Livre

PERCOLAÇÃO DE ÁGUA NO SOLO - REDE DE FLUXO

Guilherme K Weisheimer. Aplicação de um heat pipe em equipamento elétrico/eletrônico

Transferência de Calor

OPERAÇÕES UNITÁRIAS II AULA 10: ESTERILIZAÇÃO. Profa. Dra. Milena Martelli Tosi

Condução de calor Transiente

Capítulo 08 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO EM REGIME TRANSIENTE

1ª Lista de Exercícios. Unidade Curricular: FNT22304 Fenômenos dos Transportes CONDUÇÃO

TRANSMISSÃO DE CALOR

EP34D Fenômenos de Transporte

LISTA DE EXERCÍCIOS Nº 4

Transferência de Calor

Transferência de calor

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Engenharia de Lorena EEL

EM34B Transferência de Calor 2

Transferência de Calor

Em todas as questões explicite seu raciocínio e os cálculos realizados. Boa prova!

O Processo de Ebulição

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Termodinâmica. Trabalho e calor. v. 1.0

CONDUÇÃO DE CALOR UNIDIMENSIONAL EXERCÍCIOS EM SALA

Crescimento das gotas por Colisão e Coalescência

ÁREA DE ESTUDO: CÓDIGO 16 TERMODINÂMICA APLICADA, MECÂNICA DOS FLUIDOS E OPERAÇÕES UNITÁRIAS

EN 2411 Aula 4 Escoamento externo. Escoamento cruzado em cilindros e esferas

O que acontece quando uma substância se transforma?

TRANSMISSÃO DE CALOR resumo

Transferência de Calor

Disciplina : Máquinas Térmicas e de Fluxo. Aula 2 Propriedades Termodinâmicas

Transferência de Calor

UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE Faculdade de Engenharia. Transmissão de calor. 3º ano

Condições variam com o tempo. 1 ) Temperatura na superfície de um sólido é alterada e a temperatura no interior do sólido começa a variar

Difusão em Sólidos TM229 - DEMEC Prof Adriano Scheid

Coletores solares planos

Crescimento das gotas por Colisão e Coalescência

OPERAÇÕES UNITÁRIAS II AULA 13: EVAPORADORES E CONGELAMENTO. Profa. Dra. Milena Martelli Tosi

Transferência de Calor e Massa 1

Transferência de Calor Escoamentos Externos

SISTEMAS TÉRMICOS PME 2378 INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS TÉRMICAS - Alberto Hernandez Neto Direitos ais reservados Proibida a reprodução desse material sem a

ENGENHARIA DE MATERIAIS. Fenômenos de Transporte em Engenharia de Materiais (Transferência de Calor e Massa)

4. Resultados Parâmetros de desempenho Variáveis de controle Tipo de nanopartícula

Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos

Física do Calor

Convecção Forçada Interna a Dutos

Lista de Exercícios para P1

Capitulo 8 Transferência de Calor por Condução

FENÔMENO DE TRANSPORTE EXPERIMENTAL

Transcrição:

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)

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

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

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.

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

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.

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.

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)

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 )

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.

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

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

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

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)

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)

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

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

Efeito do Csf sobre o cácuo do fuxo de caor

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.

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 0,0149 2 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)

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=0.002024 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 = 0,0002819 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