Ebulição em vaso

Transferência de calor com mudança de
fase: Ebulição e Condensação
Da termodinâmica
Ebulição
Líquido à Tl e pl  T aumenta até Tsat
correspondente à pl
Condensação
Vapor à Tv e pv  T diminui até Tsat
correspondente à pv

Transferência de calor por convecção, pois envolvem fluido em
movimento: ascensão de bolhas e escoamento de condensado

Pode ser natural ou forçada

Dependem: do calor latente de vaporização, hlv
da tensão superficial na interface líquido-vapor, 
2
das propriedades do fluido em cada fase
-
Temperatura constante no processo, para uma pressão constante
-
Transferência de calor latente → grandes quantidades de calor
transferida:
 hlv
qm
-
É necessário manter T entre a superfície sólida e Tsat:
T =Ts –Tsat
-
 grau de superaquecimento
Coeficiente de transferência de calor, h > que monofásico
h (W/m2K)
Processo
Convecção Natural
Gases
2-25
Líquidos
50-1000
Convecção Forçada
Gases
25-250
Líquidos
Convecção
mudança de fase
50-20.000
com
2.500 – 100.000
Motivações de engenharia
Transferência de grandes fluxos de calor com pequenas diferenças
de temperatura (∆T = Ts – Tsat)
Fluxo de calor vs ∆T
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Aplicações
- Engenharia térmica, segurança
-Sistemas de refrigeração e ar condicionado: evaporadores e
condensadores
- Trocadores de calor compactos
- Centrais térmicas: caldeiras
- Reatores nucleares
- Controle térmico (em diversas aplicações)
-Processos de conversão de energia (geração termo solar, etc.)
- Dessanilização de água
large
amounts of research in many countries have been devoted to
understanding its mechanisms and behavior, the results have not yet been
entirely satisfactory in clarifying boiling phenomena and in correlating
experimental data on heat transfer in nucleate boiling. This is largely
5
because of the complexity and irreproducibility of the phenomena, caused
Desafios tecnológicos
Intensificação da transferência de calor - Fluxo de calor a ser dissipado em
dispositivos eletrônicos (600 a 1.000 W/cm²) exigem novos dispositivos
Sistemas com mini (200 m < D  3 mm) e microcanais (10 m < D  200 m)
1. Escoamento monofásico (líquido)
• Micro-bombas, micro-válvulas e micro sensores
• Micro eletromecânica (MEMS) – resfriamento de espelhos de sistemas de laser
de alta potência
• Engenharia biomédica e genética – exigência de controle de transporte de
fluidos em passagens estreitas (Microfluidic and microchannel transport
processes )
2. Escoamento com mudança de fase
• Evaporadores de sistemas de ar condicionado automotivo
• Canais de alumínio extrudado com diâmetros <1mm aplicados a condensadores
com mini canais
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Mudanças de fase
Fusão: S-L - Solidificação: L-S
Sublimação: S-V - Desublimação: V-S
Vaporização: L-V - Condensação: V-L
LÍQUIDO
Pressão
Ponto crítico
VAPOR
Temperatura
Terminologia
Vaporização: termo genérico para mudança de
fase L-V, ainda pode ser:
evaporação
ar
Evaporação: mudança de fase L-V através de
uma interface L-V quando a pressão do vapor
for menor do que a pressão de saturação na
temperatura do líquido (ex. evaporação da água
em um lago: pvar (60% UR) < pagua, 20ºC)
Não tem formação de bolhas
água
Ex: secagem de roupas, frutas, vegetais, torres
de resfriamento
água
Ebulição: mudança de fase L-V no contato do
líquido com uma superfície sólida superaquecida
(interface L-S) onde Ts > Tsatliq
Há geração de novas interfaces L-V por meio de
nucleação (bolhas de vapor)
ebulição
aquecimento
Ts
Tsat
Tipos de ebulição
- “pool boiling” – ebulição em vaso
Ebulição em uma superfície aquecida submersa em
um vaso com um líquido inicialmente em repouso
- “flow boiling” – ebulição com escoamento
Ebulição em uma corrente de fluido escoando onde
a superfície de aquecimento pode ser a parede dp
canal que confina o escoamento
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Processo de Ebulição
• Rápida formação de bolhas na interface S-L, que se separam da
superfície e sobem para superfície livre do líquido
• Grande número de variáveis envolvidas
• Complexos padrões de movimento do fluido causados pela
formação e crescimento das bolhas
Fluxo de calor (W/m²) – equação da
convecção
água
q"  h( Ts  Tsat )
bolhas
Elemento de
aquecimento
• A ebulição caracteriza-se pela formação de bolhas que não estão em
equilíbrio termodinâmico com o líquido envolvente (T,p diferentes do
líquido).
pliqvap é equilibrada pela tensão superficial () na interface.
Tvap _ bolha liq _ circundante é a força motriz para a transferência de calor entre
as duas fases.
 As bolhas crescem e se desprendem da superfície quando atingem um
certo tamanho e tentam subir à superfície livre do líquido.
TL<Tbolha TC da bolha  líquido: vapor da bolha condensa e esta colapsa
TL>Tbolha TC da líquido  bolha: bolha cresce e sobe sob a influência das força de
empuxo

-
O crescimento e a dinâmica das bolhas de vapor dependem:
grau de superaquecimento
natureza da superfície
propriedades termofísicas do líquido (l) e do vapor (v): , , k,
do calor latente (energia absorvida/massa): hfg (T,p)
-  tensão superficial na interface L-V (determina a existência das bolhas
devido à força de atração das moléculas na interface em direção à fase
líquida):  T  (é zero no ponto crítico)
 Também dependem dos padrões complexos do movimento do fluido
causado pela formação e crescimento das bolhas, ou seja, da dinâmica
da formação de bolhas que afeta o movimento do líquido próximo à
superfície influenciando o coeficiente de transferência de calor, h .
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Ebulição: função do movimento do fluido
Ebulição em convecção natural (em vaso ou “pool boiling”)
O líquido encontra-se quieto e o movimento próximo à superfície
sólida é devido à convecção natural e à mistura induzida pelo
surgimento e movimentação das bolhas de vapor (forças de
flutuação).
Ebulição do n-Pentano a patm e Tsat=35,8ºC sobre
um disco de cobre
Ebulição com convecção forçada ou em escoamento (“flow
boiling”)
O líquido é forçado a deslocar-se num tubo ou sobre uma superfície
sólida por meios externos, tal como uma bomba
Padrões de
escoamento
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1. Ebulição em vaso (pool boiling)
função da temperatura média do fluido
(longe da superfície aquecida)
Ebulição sub-resfriada a temperatura média do líquido encontra-se abaixo
da temperatura de saturação e as bolhas formadas na superfície sólida
podem se condensar no líquido. Ebulição é confinada à região próxima a
superfície aquecida
Ebulição saturada a temperatura do líquido excede ligeiramente a
temperatura de saturação. As bolhas formadas são então impelidas
através do líquido pelas forças de empuxo, terminando por aflorar à
superfície livre.
água
saturadza
bolhas
aquecimento
Regimes de ebulição e curva de ebulição
O experimento de Nukyiama (1934): Controle
do fluxo de calor/medição da temperatura do fio
A ebulição toma diferentes formas dependendo do
grau de superaquecimento: T  ( Ts  Tsat )
Existem quatro diferentes regimes de ebulição:
Curva de ebulição
(curva de Nukyama)
Os diferentes regimes estão identificados
na curva de ebulição de acordo com o
grau de superaquecimento: ∆T=Ts -Tsat
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Ebulição com convecção natural ou livre: a temperatura da superfície sólida
deve estar um pouco acima da temperatura de saturação para garantir a
formação de bolhas. Á medida que ∆Tsuperaq aumenta, o início da formação de
bolhas (nucleação) acabará acontecendo (ponto A) (líquido é ligeiramente
superaquecido)  ONB (onset of nucleate boiling ou início da ebulição)
Abaixo do ponto A, na curva, o movimento do fluido é determinado pelos efeitos
da convecção livre.
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Ebulição nucleada: Podem ser diferenciados dois regimes de escoamento
diferentes. Até o ponto B, bolhas isoladas se formam nos lugares de nucleação
e se desprendem da superfície sólida. Este desprendimento induz uma
considerável mistura no fluido próxima à superfície sólida, aumentando
substancialmente o h e q”. Neste regime a maior parte de troca de calor se dá
por transferência direta da superfície sólida para o líquido em movimento sobre
ela e não através das bolhas de vapor ascendendo à superfície livre.
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EBULIÇÃO NUCLEADA (faixa de A a C) bolhas se formam a uma taxa
crescente em pontos de nucleação da superfície aquecida
-Faixa AB: bolhas isoladas formadas separando-se da superfície e são dissipadas no
líquido. A agitação provocada pelo deslocamento de líquido para a superfície de
aquecimento faz h aumentar com o q”
-Faixa BC: colunas contínuas de vapor no líquido. Aumenta a temperatura, aumenta
a taxa de formação de bolhas.
>> q” efeito combinado de deslocamento de líquido e da vaporização
>> Tsuperaq aumenta a taxa de vaporização na superfície. Grande fração da superfície
coberta por bolhas, dificultando a chegada do líquido à superfície para molhar a mesma
- Ponto C: Fluxo de calor crítico (CHF)  crise da ebulição
Este ponto fornece um limite de operação superior do fluxo de calor acima
do qual a troca térmica na ebulição está associada a elevadas diferenças de
temperatura e baixos h
Do ponto de vista do projeto de equipamentos, o maior interesse é a Regime de
EN: elevadas taxas de transferência de calor, para menores Tsuperaq  > h
ex. para a água: q”max=1 MW/m² e Tsuperaq < 30ºC
Ebulição no regime de transição ebulição em película instável ou película
parcial: (deve ser evitada na prática)
- A formação de bolhas é tão rápida que uma película de vapor começa a se
formar sobre a superfície sólida, que atua como um isolante (kv<< kl).
- Em qualquer ponto sobre a superfície sólida as condições oscilam entre
ebulição em película e a ebulição nucleada, mas a superfície total coberta
pelo filme de vapor aumenta com o aumento do grau de superaquecimento
- Ponto D – temperatura de Leindenfrost, temperatura acima da qual a fase
líquida não consegue tocar a parede aquecida
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Ebulição em película:
No ponto D o q” atinge um mínimo e a superfície sólida está coberta por
uma película estável de vapor. A transferência de calor da superfície sólida
para o líquido acontece por condução e por radiação através do vapor.
À medida que a temperatura da superfície aumenta a radiação através da
película de vapor se torna significativa e o q” volta a aumentar com o grau
de superaquecimento
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E
c
D
22