Micro canais vs Macro canais

• Coeficiente de transferência de calor maior

Ex: canal quadrado de 0,2 mm hágua = 10.000 W/m²ºC

hebulição = 100.000 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

Ebulição em mini e microcanais

Aplicações

• Evaporadores e condensadores

compactos placa-aletas

• Bombas de calor

• AC condicionado automotivo

• Aeroespacial

• Indústrias criogênicas

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)

Classificação dos canais – critérios de transição entre macro e micro escala

• Inicialmente, critérios de transições entre micro e macro-escala forampropostos baseados apenas nas dimensões dos canais e nos processosde manufatura, sem incorporarem aspectos mecanicistas de transferênciade calor e perda de pressão.

• A maioria dos autores apenas especulou sobre os mecanismos físicosrelevantes e a ebulição nucleada era apontada como o principalmecanismo, até mesmo em títulos de vapor elevados sob condições deescoamento anular.

• Atualmente, pesquisadores têm sugerido que a transição entre micro emacro escala é resultado não apenas das condições de confinamentodas bolhas no canal, mas do balanço entre forças gravitacionais,inerciais, de tensão superficial e de efeitos de molhabilidade.

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 canaisDh > 3mm - canais convencionais200µm < Dh < 3mm - minicanais (trocadores de calor compactos)

e efeitos de rarefação de gases (nº adimensional de Knudsen = comprimento do caminho livremolecular (distância entre duas colisões sucessivas da molécula de um gás)/comprimentorepresentativo do fenômeno estudado (diâmetro hidráulico do canal)

10 - 200 µm - microcanais1 – 10 µm - microcanais de transição0,1 – 1 µm - nanocanais de transiçãoDh < 0,1 µm - nanocanais moleculares

Classificação não evidencia alterações de comportamento dos parâmetros de projetos como aperda de pressão, o coeficiente de transferência de calor e o fluxo crítico

Classificação dos canais – critérios de transição entre macro e micro escala

- Critérios mecanicistas propostos baseados em: - diâmetro de desprendimento de bolha emum meio infinito, - confinamento de bolhas, - efeitos inerciais, de arraste de bolhas, e amolhabilidade do líquido através do ângulo de contato, que em caso de diâmetros reduzidospode manter molhada toda a superfície interna do tubo

Kew e Cornwell (1997): a transição entre micro e macro escala está relacionada ao grau deconfinamento no interior de um canal de uma bolha destacando-se da superfície em ummeio infinito

Nº de confinamento: Co

Lc é o comprimento capilar, Lc, ou também denominada constante de Laplace

Dh

LcCo

2/1

)(

VLgLc

Efeitos de confinamento tornam-se relevantes se Co > 0,5 (microcanal)

Critério razoável, pois quando o diâmetro de desprendimento de bolha torna-se superior adimensão característica do canal, o processo de crescimento da bolha é limitado pelageometria do canal, afetando a dinâmica do escoamento bifásico e o processo de TC

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.

Lc

sBo

2/1

)(

VLgLc

1Bo

1Bo

O nº Bond (ou de Eötvös), Bo, também representa a relação:

forças de empuxo/forças de tensão superficial (ou interfacial)

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.

Ullmann e Brauner (2007): baseados na análise da transição entre padrões deescoamento, observaram que métodos de previsão de padrões de escoamentodesenvolvidos para canais convencionais não são adequados para condições com nºde Bond - Bo < 1

Critério de transição entre minicanais e canais convencionais segundo alguns autores

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 expansãodo 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 calorde 1MW/m² verificou-se que em micro-escala as forças de tensão superficial erelacionadas à evaporação são predominantes.

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 (magnitudedas forças de inércia, empuxo e tensão superficial são próximas);

• Para G de 100 a 1000 kg/m²s: forças inerciais predominam para Dh > 20m e amagnitude das forças de tensão superficial e empuxo coincidem para Dh = 1 mm.

• Os efeitos inerciais e de tensão superficial favorecerem a uniformidade da espessura dofilme líquido ao longo do perímetro do tubo, dificultando o estabelecimento do padrãoestratificado.

• Entretanto, efeitos inerciais favorecem o padrão anular, enquanto efeitos de tensãosuperficial escoamentos intermitentes.

• A escala de magnitude de forças de evaporação tem sua relevância relativa elevadacom a redução de G e Tsat.

A magnitude das forças de evaporação em relação às demais indicam a ocorrência de umfenômeno denominado de “ebulição explosiva”, relacionando a expansão de uma bolha emcondições confinadas, o qual é favorecido por G reduzido e elevadas.

V

L

• Importância relativa da tensão superficial edas forças de cisalhamento para diâmetrosreduzidos, e contribuição dos efeitos deinércia reduzida.

• O termo da gravidade diminuisignificativamente para diâmetros menoresAssim não é considerado em correlações do

CHF (Fluxo de calor crítico) para microcanais

• A tensão superficial é incluída nascorrelações de CHF (comportamento nainterface em contato com a linha perto daparede)

• O termo de cisalhamento também torna-seimportante na microescala.

evaporação

Tensão superficial

cisalhamento

inércia

• Embora existam vários critérios propostos para distinguir entre EC em condiçõesde 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 doescoamento bifásico e comportamentos termo-hidráulicos (coeficiente detransferência de calor, fração de vazio superficial, perda de pressão e fluxo decalor crítico) que possam distinguir a ebulição em condições de micro e macroescala

• Estes resultados seriam úteis de um ponto de vista prático por poderiam serincorporados a métodos de previsão e aplicados como ferramentas de projeto detrocadores e dissipadores de calor

Crescimento da bolha

Macro canais

Mini e micro canais

Comparação do padrão de escoamentoanular em macro canais e o padrão deescoamento com expansão da bolha emmini e micro canais

Padrões de escoamento

Bolhas isoladasBolhas confinadasAnular 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 apósnucleação causa fluxo reverso

MINI CANAIS MICRO CANAIS

Visualização dos padrões de escoamento

R-134a X G kg/m²s

0.02 1230

0.08 740

0.06 930

0.10 740

0.11 440

0.18 440

0.13 580

0.19 580

0.25 740

0.38 740

R-600a X G kg/m²s

0.07 370

0.11 280

0.18 188

0.23 240

0.32 280

0.40 188

0.45 188

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

Efeito do fluxo de calor, q” no h

R-134a

G = 440 kg/m²s

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

Resultados para análise do efeito de diferentes parâmetros

Efeito da velocidade mássica, G no h

R-600a

R-134a

para baixos q”, se o G aumentao 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

Efeito do G

Efeito do q”

Diferentes resultados para o efeito dos parâmetros publicados na bibliografia

Efeito da temperatura de saturação

R-134a

TsatR-134a

(10-3 N/m)L

kg/m³µV

µPashlv

kJ/kg12 (ºC) 9.86 1254 229.07 189.122 (ºC) 8.48 1218 202.28 180.5

Efeito do diâmetro

Comparação R-600a e R-134a

hR-600a > hR-134a:menor L e maior kL of R-600a maior h

ifg do R-600a 2x ifg do R-134a: TC maiscompactos

kL kV µL µV

W/mK µPas

R-134a 0.082 0.0135 202.3 11.57

R-600a 0.09 0.0165 155.1 7.42

hlv cpL cpV

kJ/kg kJ/kgK

R-134a 180.5 1.41 1.01

R-600a 332.4 2.4 1.79

L V

kg/m³

R-134a 0.00082 0.034

R-600a 0.0018 0.119

> Volume específico do R-600a reduz carga de refrigerante

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

padrões:S: Stratificado SW: Stratificado onduladoSl+SW: Slug+Stratificado ondulado Sl: SlugI: Intermitente A: AnularD: Dryout M: névoa

MacrotubosWojtan et al. (2005)Fluidos R-22 e R-410ADiâmetros 8.0 a 13.84 mm

Mapas de padrões de escoamento

R-134a

padrões:S: Stratificado SW: Stratificado onduladoSl+SW: Slug+Stratificado ondulado Sl: SlugI: Intermitente A: AnularD: Dryout M: névoa

MacrotubosWojtan et al. (2005)Fluidos R-22 e R-410ADiâmetros 8.0 a 13.84 mm

Mapas de padrões de escoamento

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

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

Mapa de padrões de escoamento

Mini/microtubos:Ong and Thome (2011)Fluidos R-134a, R-245fa and R-235faDiâmetros 0.5 to 3.0 mm

padrões: IB: bolha isolada (micro canal) ou PS (Plug/Slug)

(maior escala) CB: bolhas coalescentes A: Anular

Transição macro a micro canalDiâmetro do canal diminui a bolha torna-se confinada e então alongada

limite é Co = 0.5

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

G [kg

/m²s

]

X [-]

Slug

Churn

AnularCB

Annular

Plug-Slug

R-134a (Co=0.325) mini canal

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

R-600a (Co=0.53) microchannel

Ong, C.R.; Thome, J.R., Macro-to-microchannel transition in two-phase flow: Part 1 – Two-phase flow patterns and film thicknessmeasurements”. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.35, p. 37–47.

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.

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

Comparison flow patterns of R-134a and R-600a