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Ebulição e Condensação
Profa. Jacqueline Copetti
LETEF – Laboratório de Estudos Térmicos e Energéticos
página: professor.unisinos.br/[email protected]
Sala C02 239
3
Da termodinâmica
Ebulição
Líquido a Tl e pl T aumenta até Tsat
correspondente a pl
Condensação
Vapor a Tv e pv T diminui até Tsat
correspondente a pv
Transferência de calor por convecção, pois envolve fluido em
movimento: ascensão de bolhas e escoamento de condensado
Pode ser natural ou forçada
Depende: - do calor latente de vaporização, hlv
- da tensão superficial na interface líquido-vapor,
- das propriedades do fluido em cada fase
Processo h (W/m2K)
Convecção Natural
Gases 2-25
Líquidos 50-1000
Convecção Forçada
Gases 25-250
Líquidos 50-20.000
Convecção com mudança de fase 2.500 – 100.000
- Temperatura constante no processo, para uma pressão constante
- Transferência de calor latente → grandes quantidades de calor
transferida:
- É necessário manter T entre a superfície sólida, Ts, e a Tsat do fluido
T =Ts –Tsat grau de superaquecimento
- Coeficiente de transferência de calor, h > que monofásico
lvhmq
5
Fluxo de calor vs ∆T
Motivações para a engenharia
Transferência de grandes fluxos de calor com pequenas diferenças de
temperatura (∆T = Ts – Tsat)
T=Ts-Tsat (ºC)
q”
(W
/cm
²)
6
Aplicações
- Sistemas de refrigeração e ar condicionado: evaporadores e
condensadores
- Trocadores de calor compactos
- Engenharia térmica – segurança – reatores nucleares (água
pressurizada no reator, água em ebulição no reator)
- Centrais térmicas: caldeiras
- Controle térmico (em diversas aplicações)
- Processos de conversão de energia (geração termo solar, etc.)
- Dessanilização de água
- Espacial
9
Desafios tecnológicos
Intensificação da transferência de calor - Fluxo de calor a ser dissipado em
sistemas 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
Fusão: S-L - Solidificação: L-S
Sublimação: S-V - Desublimação: V-S
Vaporização: L-V - Condensação: V-L
Mudanças de fase
Temperatura
Pre
ssã
o
Ponto crítico
Líquido
Vapor
Sólido
Vaporização: termo genérico para mudança de
fase L-V, ainda pode ser:
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 (transferência de massa)
Não tem formação de bolhas
Ex: - evaporação da água em um lago: pvar (60%
UR) < pagua, 20ºC
- secagem de roupas, frutas, vegetais, torres de
resfriamento
Ebulição: mudança de fase L-V no contato do
líquido com uma superfície sólida superaquecida
(interface L-S) onde Ts > TsatliqHá geração de novas interfaces L-V por meio de
nucleação (bolhas de vapor)
aquecimento
ebulição
água
água
ar
evaporação
Terminologia
Ts
Tsat
12
- “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 do canal
que confina o escoamento
Tipos de ebulição
Processo de Ebulição
água bolhas
Elemento de
aquecimento
• 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
)TT(h"q sats
Fluxo de calor (W/m²) – equação da
convecção
• A ebulição caracteriza-se pela formação de bolhas que não estão em
equilíbrio termodinâmico com o líquido envolvente (T,p diferentes do líquido).
: é equilibrada pela tensão superficial () na interface.
: é a força motriz para a transferência de calor entre
as duas fases.
vapliqp
)ecircundant(liq)bolha(vapT
14
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 forças 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
- calor latente (energia absorvida/massa): hlv (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)
• Nas moléculas internas, como as forças
são em todas as direções elas se
anulam;
• Na superfície as forças de coesão
puxam para os lados e para baixo,
desse modo, fazem com que a
superfície fique como uma película
elástica.
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
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 .
16
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
1. Ebulição em vaso (pool boiling)função da temperatura média do fluido (longe da superfície aquecida)
aquecimento
água
saturadza
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.
Regimes de ebulição e curva de ebulição
Experimento de Nukyiama (1934):
Controle do fluxo de calor/medição
da temperatura do fio
A ebulição toma diferentes formas dependendo do
grau de superaquecimento:
Existem quatro diferentes regimes de ebulição:
)TT(T sats
19
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
)TT(T sats
q”_
ebu
liçã
o, W
/m²
,ºC
20
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 (regime monofásico).
)TT(T sats
q”_
ebu
liçã
o, W
/m²
,ºC
21
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.
)TT(T sats
q”_
ebu
liçã
o, W
/m²
,ºC
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
Do ponto de vista do projeto de equipamentos, o maior interesse é a Regime de EN:
elevadas taxas de transferência de calor, para < Tsuperaq e > h
ex. para a água: q”max=1 MW/m² e Tsuperaq < 30ºC
- 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
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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 aquecidaq
”_eb
uli
ção
, W/m
²
)TT(T sats ,ºC
24
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
)TT(T sats
q”_
ebu
liçã
o, W
/m²
,ºC
26
• A pesquisa na área tem se dedicado a compreender
os mecanismos e comportamento da ebulição e os
resultados ainda não são inteiramente satisfatórios
para esclarecer o fenômeno da ebulição e
correlacionar os dados experimentais sobre a
transferência de calor em ebulição nucleada.
• Isto se deve principalmente à complexidade e a não
reprodutibilidade dos fenômenos, devido às condições
de superfície (rugosidade, deposição de materiais
estranhos, ou absorção de gás sobre a superfície,
etc.) que são fatores inerentes que influenciam a
geração das bolhas