Ebulição e Condensação

Profa. Jacqueline Copetti

LETEF – Laboratório de Estudos Térmicos e Energéticos

página: professor.unisinos.br/jcopettijcopetti@unisinos.br

Sala C02 239

1. Introdução Transferência de calor com

mudança de faseEbulição e Condensação

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

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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)

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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

7

8

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

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- “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

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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 .

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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

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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

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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

)TT(T sats

q”_

ebu

liçã

o, W

/m²

,ºC

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cE

D

)TT(T sats

q”

,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