EMC410132 EMC410132 Ebulição e Condensação ConvectivasEbulição e Condensação Convectivas
EBULIÇÃO EM ESCOAMENTOS EM EBULIÇÃO EM ESCOAMENTOS EM MICROCANAISMICROCANAIS
Júlio César Passos
Universidade Federal de Santa CatarinaUniversidade Federal de Santa CatarinaCentro Tecnológico - Centro Tecnológico - Departamento de Engenharia MecânicaDepartamento de Engenharia Mecânica LEPTEN/Boiling LEPTEN/Boiling Laboratórios de Engenharia de Processos de Conversão e Tecnologia de EnergiaLaboratórios de Engenharia de Processos de Conversão e Tecnologia de Energia
Plano da aulaPlano da aula
Ebulição e Condensação Convectivas
• Forças presentes durante a ebulição convectiva
• Efeito de escala, influência do diâmetro hidráulico do canal
• Padrões de escoamento
• Equações para as linhas de transição no mapa de Revellin e Thome
• Equacionamento para o tratamento dos dados
• Estudo de caso: resultados da queda de pressão
• Estudo de caso: resultados da transferência de calor
Forças por unidade de áreaForças por unidade de área
Ebulição e Condensação Convectivas
Força de inércia
2
2
22'' G
D
DVFi
Força de tensão superficial
DD
DF
2'' cos
: massa específica do fluido (do líquido até ocorrer a nucleação; e uma média para o escoamento bifásico)
: tensão superficial: ângulo de contato da interface líquido vapor sobre a superfície do canal
Forças por unidade de área (cont.)Forças por unidade de área (cont.)
Ebulição e Condensação Convectivas
Força de cisalhamento(shear force)
D
G
D
V
D
DDV
F
2
2
''
Força gravitacional (buoyancy force)
gDD
gDF vl
vlg
2
3''
: viscosidade do fluido. Para escoamento bifásico, a propriedade escolhida depende do fluido em contato com a superfície do tubo.
: aceleração da gravidadeg
Forças por unidade de área (cont.)Forças por unidade de área (cont.)
Ebulição e Condensação Convectivas
Força de quantidade de movimento devido à evaporação
vfgQM h
qF
1"
2
''
: fluxo de calor na superfície do tubo "q
: calor latente de vaporizaçãofgh
Resultados sobre o efeito de Resultados sobre o efeito de escalaescala
Ebulição e Condensação Convectivas
Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição da água.
Fonte: Kandlikar, S.G., Scale effect on flow boiling heat transfer in microchannels: A fundamental perspective, Int. J. of Thermal Sciences, vol. 49, pp. 1073-1085, 2010.
Resultados sobre o efeito de Resultados sobre o efeito de escalaescala
In Kandlikar (2010)In Kandlikar (2010)
Ebulição e Condensação Convectivas
Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a
ebulição da água.
Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a
ebulição do R-123.
Resultados sobre o efeito de Resultados sobre o efeito de escalaescala
In Kandlikar (2010)In Kandlikar (2010)
Ebulição e Condensação Convectivas
Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição da água.
Padrões de escoamentoPadrões de escoamento
Ebulição e Condensação Convectivas
Escoamento Borbulhado (disperso)
Transição – Borbulhado / ”Slug”
Escoamento Intermitente (“Slug”
Agitado/ “plug” - Pistonado)
Transição – “Slug” / Semi-Anular
Escoamento Semi-Anular
Escoamento Anular Agitado
Escoamento Anular Suave ou Liso
[U1]
Padrões de escoamento e transições no interior de um tubo horizontal: no escoamento de d=0,5 mm, L=70,70 mm, G=500 kg/m2s e Tsat=35 oC. (Revellin and Thome (2007b)); R134a e R245fa, ver Dario (2013).
Padrões de escoamento Padrões de escoamento (simplificação)(simplificação)
Ebulição e Condensação Convectivas
[U1]
Regimes de escoamentos observados por Cornwell and Kew (1993),durante o escoamento de R-113em um canal de seção transversal retangular de 1,2mm x
0,9mm
Kandlikar (2002), p. 189
Padrões de escoamento: Efeito do Padrões de escoamento: Efeito do diâmetro sobre as linhas de diâmetro sobre as linhas de
transiçãotransição
Ebulição e Condensação Convectivas
[U1]
Fluido; R-134a a 30º C; q”=60kW/m2 (Revellin and Thome (2007a)); (ver Dario (2013))
Equações para as linhas de Equações para as linhas de transiçãotransição
Ebulição e Condensação Convectivas
[U1]
(Revellin and Thome (2007a)); (Dario (2013))
41,0
2
41,0
/,
"763,0
Re763,0
Gh
q
We
Box
lvl
v
v
lBCBIv
;Rel
hl
GD
;
"
vlGh
qBo ;
2
v
hv
DGWe
l
hl
DGWe
2
23,147,1/, Re00014,0 llABCv Wex
04,0
28,048,0
24,024,0073,0
.,
1748,1 aq
l
l
vcrítv L
DGx
h
Comprimento aquecido:aqL
Correlações e modelos semi-Correlações e modelos semi-empíricos para o cálculo da queda empíricos para o cálculo da queda
de pressãode pressão
Ebulição e Condensação Convectivas
[U1]
Dario (2013)
Correlações e modelos semi-Correlações e modelos semi-empíricos para o cálculo do empíricos para o cálculo do
coeficiente de transferência de coeficiente de transferência de calorcalor
Ebulição e Condensação Convectivas
[U1]
Dario (2013)
Estudo de caso:Estudo de caso:
Cálculo da queda de pressão e do Cálculo da queda de pressão e do coeficiente de transferência de coeficiente de transferência de
calor durante a ebulição em calor durante a ebulição em convecção forçada no interior de convecção forçada no interior de
microcanaismicrocanais
Resultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo DarioResultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo Dario
Ebulição e Condensação Convectivas
Título: EBULIÇÃO CONVECTIVA DO R-134a EM MICROCANAIS PARALELOS E ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÕES DO ESCOAMENTO BIFÁSICO AR-ÁGUA EM UM DISTRIBUIDOR
ACOPLADO A MICROCANAIS
Orientador: Júlio César Passos; Co-orientador: Lounès TadristPOSMEC/UFSC e Aix Marseille Université
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Ebulição e Condensação Convectivas
Esquema do circuito da bancada de ebulição convectiva, LEPTEN/Boiling, in Dario (2013).
Seção de teste (Dario (2013))Seção de teste (Dario (2013))
Ebulição e Condensação Convectivas
in Dario (2013).
Vista explodida da seção de teste:
(1)microcanais; (2)placa de cobre;
(3) “skin heater”; (4) (blocos de teflon; (5) Regiões de Plenum
Ebulição e Condensação Convectivas
Esquema de fabricação e soldagem da seção de teste:
(a) Seção montada e soldada;
(b) Seção de teste com vista explodida
Seção de teste (Dario (2013))Seção de teste (Dario (2013))
Ebulição e Condensação Convectivas
Localização dos termopares na seção de teste, fixados nas ranhuras das placas de cobre superior e
inferior.
Placa superior Placa inferior
Ebulição e Condensação Convectivas
Modelagem do evaporador
Procedimento experimentalProcedimento experimental
Ebulição e Condensação Convectivas
PARÂMETROS DE ENTRADADados geométricos
Mediçoes experimentais: Tent, pent, G, q”, Tw, Δp
REGIÃO MONOFÁSICA ADIABÁTICACálculo das proprieadesdo segmento Ni
Pressão na saída do segmento (psai,Ni)
i=15Não
i=i+1
REGIÃO MONOFÁSICA DIABÁTICACálculo das propriedades do segmento Ni
Balanço de energia no segmento (Tsai,Ni)Queda de pressão no segmento (psai,Ni)
Avanço no Segmento (Ni+1)Tent,Ni+1=Tsai,Ni
pent,Ni+1=psai,Ni
Tsai,Ni ≥ Tsat
i=i+1
REGIÃO BIFÁSICA DIABÁTICACálculo das propriedades do segmento Ni
Balanço de energia no segmento (isai,Ni)Queda de pressão no segmento (psai,Ni)
Tsai,Ni=Tsat
hexp se Tw é medido no segmento
i=135
i=i+1
REGIÃO BIFÁSICA ADIABÁTICACálculo das proprieadesdo segmento Ni
Pressão na saída do segmento (psai,Ni)
i=150
i=i+1
CONDIÇOES DE SAÍDA (RESULTADOS DESEJADOS)
Não
Não
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Equacionamento para o Equacionamento para o tratamento dos dadostratamento dos dados
Ebulição e Condensação Convectivas
;TrNA
mG
Velocidade mássica
4
2DATr
;"aqNA
Pq
Fluxo de calor médio
;aqaq DLA R
VP
2
Equacionamento para o Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.)tratamento dos dados (cont.)
Ebulição e Condensação Convectivas
ent
Trp
zf TGAc
DzqT
",
Cálculo do comprimento de escoamento sub-resfriado, Lsub
Dq
TTcAGL entsatpTr
sub "
zmanoentzsat ppp ,,
Equacionamento para o Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.)tratamento dos dados (cont.)
Ebulição e Condensação Convectivas
Cálculo da pressão local na região bifásica
subtotal
satLsatsub
satzsat LL
ppLzpp sub
,
,
)(
exp,totentsat ppp
: medição por meio do transdutor de pressão diferencialexp,totp
: Comprimento dos microcanaistotalL
Temperatura do fluido na região bifásica
)( ,, zsatzsat pfT
Equacionamento para o Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.)tratamento dos dados (cont.)
Ebulição e Condensação Convectivas
Cálculo do título de vapor,
)(
"", zhLGA
AqLzx
lvtotTr
Ssubqv
",,, qvflashvzv xxx
: evaporação devido à queda de pressão (flashing)flashvx ,
)(
)()()(,
zh
zTzTzcx
lv
satsatsatpflashv
zvx ,
Equacionamento para o Equacionamento para o tratamento dos dados (cont.)tratamento dos dados (cont.)
Ebulição e Condensação Convectivas
Cálculo do coeficiente de transferência de calor bifásico,
)()(
"
, zTzT
qh
satlwz
: é a temperatura interna local da superfície do canal, em z.)(, zT iw
zh
., ")()(
solwiw k
wqzTzT
Pontos experimentais no mapa de Pontos experimentais no mapa de padrões de Revellin e Thomepadrões de Revellin e Thome
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
BI: Bolhas Isoladas
BC: Bolhas Confinadas
A: Anular
Estudo de caso:Estudo de caso:
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Resultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo DarioResultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo Dario
Ebulição e Condensação Convectivas
Título: EBULIÇÃO CONVECTIVA DO R-134a EM MICROCANAIS PARALELOS E ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÕES DO ESCOAMENTO BIFÁSICO AR-ÁGUA EM UM DISTRIBUIDOR
ACOPLADO A MICROCANAIS
Orientador: Júlio César Passos; Co-orientador: Lounès TadristPOSMEC/UFSC e Aix Marseille Université
Condições de operaçãoCondições de operaçãoFluido de trabalho: R134aFluido de trabalho: R134a
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Variação temporal dos parâmetros de
entrada e da queda de pressão nos
microcanais,
G=1001 kg/m2-s;
pent=701kPa;
ΔTsub=1,2 oC;
Δpexp=40,9 kPa;
q”=170 kW/m2.
Foram observadas pequenas oscilações da pressão, da vazão mássica e do sub-resfriamento,
na entrada.
Condições de testeCondições de testeFluido de trabalho: R134aFluido de trabalho: R134a
Ebulição e Condensação Convectivas
Parâmetros Valores
Velocidade mássica média, G [kg/m2-
s]
250; 500; 750 e
1000
Fluxo de calor médio, q” [kW/m2] 5,0 - 220,0
Título de vapor; xv [-] 0 – 0,89
Pressão de entrada, pent [kPa] 600; 700 e 900
Temperatura de Saturação, Tsat [oC] 21,55; 26,7 e
31,5
Grau de Sub-resfriamento, ΔTsub [oC] 1,0; 10,0 e 20,0
Dario (2013)
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Ebulição e Condensação Convectivas
Comparação da medição direta de p por meio do transdutor de pressão diferencial e por meio da diferença entre a pressão absoluta de entrada, p01, e a pressão de saturação na saída. in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Caso prático, Dario (2013)Caso prático, Dario (2013)
Ebulição e Condensação Convectivas
Queda de pressão devido à aceleração, ao atrito e na região monofásica, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Caso prático, Dario (2013)Caso prático, Dario (2013)
Ebulição e Condensação Convectivas
Queda de pressão devido à aceleração, ao atrito e na região monofásica, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Caso prático, Dario (2013)Caso prático, Dario (2013)
Ebulição e Condensação Convectivas
Influência da velocidade mássica (G) sobre a queda de pressão, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Caso prático, Dario (2013)Caso prático, Dario (2013)
Ebulição e Condensação Convectivas
Influência da pressão de entrada sobre a queda de pressão para duas velocidadesmássicas, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.
Queda de pressão durante a Queda de pressão durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Caso prático, Dario (2013)Caso prático, Dario (2013)
Ebulição e Condensação Convectivas
Influência da pressão de entrada sobre a queda de pressão para duas velocidadesmássicas, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.
Queda de pressão por atrito: Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-comparação com modelos semi-
empíricosempíricos
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Queda de pressão por atrito: Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-comparação com modelos semi-
empíricosempíricos
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Queda de pressão por atrito: Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-comparação com modelos semi-
empíricosempíricos
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Queda de pressão por atrito: Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-comparação com modelos semi-
empíricosempíricos
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Queda de pressão por atrito: Queda de pressão por atrito: comparação com modelos semi-comparação com modelos semi-
empíricosempíricos
Ebulição e Condensação Convectivas
Modelo IAM PDF
(±30%)
(±10%)
Friedel (1979) 19,9 % 82,3 % 8,8 %
Müller-Steinhagen and
Heck (1986)
16,3 % 87,8 % 37,2 %
Zhang and Webb (2001) 20,7 % 73
,5 %
20,5 %
Lee and Mudawar (2005a) 86,0 % 27,2 % 11,6 %
Modelo Homogêneo 10,0 % 94,5 % 58,0 %
Mishima and Hibiki (1996) 15,5 % 86,2 % 44,2 %
IAM: Incerteza Absoluta Média 1
exp,
exp,.,(%)
Np
ppIAM
N
ii
iicorrel
Estudo de caso:Estudo de caso:
Transferência de calor durante a Transferência de calor durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada
Resultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo DarioResultados obtidos na tese de Evandro Rodrigo Dario
Ebulição e Condensação Convectivas
Título: EBULIÇÃO CONVECTIVA DO R-134a EM MICROCANAIS PARALELOS E ANÁLISE DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÕES DO ESCOAMENTO BIFÁSICO AR-ÁGUA EM UM DISTRIBUIDOR
ACOPLADO A MICROCANAIS
Orientador: Júlio César Passos; Co-orientador: Lounès TadristPOSMEC/UFSC e Aix Marseille Université
Transferência de Calor: curva Transferência de Calor: curva parcial de ebuliçãoparcial de ebulição
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Transferência de calor: estimativa dos Transferência de calor: estimativa dos regimes de escoamento segundo o regimes de escoamento segundo o
mapa de padrões de mapa de padrões de Revellin e Thome Revellin e Thome ((2007a)
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Transferência de calor: estimativa dos Transferência de calor: estimativa dos regimes de escoamento segundo o regimes de escoamento segundo o
mapa de padrões de mapa de padrões de Revellin e Thome Revellin e Thome ((2007a)
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Transferência de calor: estimativa dos Transferência de calor: estimativa dos regimes de escoamento segundo o regimes de escoamento segundo o
mapa de padrões de mapa de padrões de Revellin e Thome Revellin e Thome ((2007a)
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito do fluxo de calorEfeito do fluxo de calor sobre a sobre a ttransferência de calor ransferência de calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito Efeito da velocidade mássica da velocidade mássica sobre a sobre a ttransferência de calor ransferência de calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito Efeito da velocidade mássica da velocidade mássica sobre a sobre a ttransferência de calor ransferência de calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito Efeito do subresfriamento na entrada do subresfriamento na entrada sobre a tsobre a transferência de calor ransferência de calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito Efeito do subresfriamento, na entrada, do subresfriamento, na entrada, sobre a tsobre a transferência de calor ransferência de calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito Efeito do temperatura de saturação, do temperatura de saturação, na entrada, na entrada, sobre a tsobre a transferência de ransferência de
calor calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Efeito Efeito do temperatura de saturação, do temperatura de saturação, na entrada, na entrada, sobre a tsobre a transferência de ransferência de
calor calor
Ebulição e Condensação Convectivas
Dario (2013)
Ebulição e Condensação ConvectivasDario (2013)
TTransferência de calor: comparação ransferência de calor: comparação com modelos semi-empíricoscom modelos semi-empíricos
1
exp,
exp,.,(%)
Nh
hhIAM
N
ii
iicorrel
Ebulição e Condensação ConvectivasDario (2013)
Correlação e modelos IAM PDF (±30%) PDF(±20
%)
Lazarek and Black
(1982)
23,2 % 67,4 % 49,0 %
Kandlikar and
Balasubramanian (2004)
37,5 % 37,2 % -
Sun and Mishima
(2009)
14,4 % 93,3 % 74,
9 %
Kew and Cornwell
(1997)
27,8 % 59,9 % -
Thome et al. (2004) 14,9 % 90,8 % 73,2 %
Tran et al. (1996) 48,4 % 3,5 % -
Yu et al. (2002) 18,2 % 81,9 % 62,5 %
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