EMC410132 Ebulição e Condensação Convectivas EBULIÇÃO EM ESCOAMENTOS EM MICROCANAIS Júlio César Passos [email protected] Universidade Federal de Santa

EMC410132 EMC410132 Ebulição e Condensação ConvectivasEbulição e Condensação Convectivas

EBULIÇÃO EM ESCOAMENTOS EM EBULIÇÃO EM ESCOAMENTOS EM MICROCANAISMICROCANAIS

Júlio César Passos

[email protected]

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


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.)


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.)


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


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.


In Kandlikar (2010)In Kandlikar (2010)


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.


In Kandlikar (2010)In Kandlikar (2010)


Efeito do diâmetro do tubo sobre os vários tipos de forças durante a ebulição da água.

Padrões de escoamentoPadrões de escoamento


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)


[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


[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


[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


[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


[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


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


Esquema do circuito da bancada de ebulição convectiva, LEPTEN/Boiling, in Dario (2013).

Seção de teste (Dario (2013))Seção de teste (Dario (2013))


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


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))


Localização dos termopares na seção de teste, fixados nas ranhuras das placas de cobre superior e

inferior.

Placa superior Placa inferior


Modelagem do evaporador

Procedimento experimentalProcedimento experimental


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


;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.)


ent

Trp

zf TGAc

DzqT

",

Cálculo do comprimento de escoamento sub-resfriado, Lsub

Dq

TTcAGL entsatpTr

sub "

zmanoentzsat ppp ,,



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



Cálculo do título de vapor,

)(

"", zhLGA

AqLzx

lvtotTr

Ssubqv

",,, qvflashvzv xxx

: evaporação devido à queda de pressão (flashing)flashvx ,

)(

)()()(,

zh

zTzTzcx

lv

satsatsatpflashv

zvx ,



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


Dario (2013)

BI: Bolhas Isoladas

BC: Bolhas Confinadas

A: Anular








Condições de operaçãoCondições de operaçãoFluido de trabalho: R134aFluido de trabalho: R134a


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


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)



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.


Caso prático, Dario (2013)Caso prático, Dario (2013)


Queda de pressão devido à aceleração, ao atrito e na região monofásica, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.




Queda de pressão devido à aceleração, ao atrito e na região monofásica, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.




Influência da velocidade mássica (G) sobre a queda de pressão, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.




Influência da pressão de entrada sobre a queda de pressão para duas velocidadesmássicas, in Dario (2013), tese de doutorado, POSMEC.




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


Dario (2013)




Dario (2013)




Dario (2013)




Dario (2013)




Modelo IAM PDF

(±30%)

PDF

(±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


Transferência de calor durante a Transferência de calor durante a ebulição em convecção forçadaebulição em convecção forçada






Transferência de Calor: curva Transferência de Calor: curva parcial de ebuliçãoparcial de ebulição


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)


Dario (2013)




Dario (2013)




Dario (2013)

Efeito do fluxo de calorEfeito do fluxo de calor sobre a sobre a ttransferência de calor ransferência de calor


Dario (2013)

Efeito Efeito da velocidade mássica da velocidade mássica sobre a sobre a ttransferência de calor ransferência de calor


Dario (2013)

Efeito Efeito da velocidade mássica da velocidade mássica sobre a sobre a ttransferência de calor ransferência de calor


Dario (2013)

Efeito Efeito do subresfriamento na entrada do subresfriamento na entrada sobre a tsobre a transferência de calor ransferência de calor


Dario (2013)

Efeito Efeito do subresfriamento, na entrada, do subresfriamento, na entrada, sobre a tsobre a transferência de calor ransferência de calor


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


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


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 %

Documents

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