Ebulição por Convecção Natural – Início da Ebulição Nucleada
Categorização pela temperatura de superaquecimento da parede, ΔT sat :
O trabalho pioneiro sobre a ebulição foi realizado em 1934 por S. Nukiyama , que usou fios de nicrómio e platina aquecidos eletricamente imersos em líquidos em seus experimentos. Nukiyama foi o primeiro a identificar diferentes regimes de ebulição da piscina usando seu aparelho. Ele notou que a ebulição assume formas diferentes, dependendo do valor da temperatura de superaquecimento da parede ΔT sat (também conhecida como temperatura excessiva) , que é definida como a diferença entre a temperatura da parede, parede T e a temperatura de saturação, T sat .
São observados quatro regimes diferentes de ebulição da piscina (com base no excesso de temperatura):
- Ebulição por Convecção Natural ΔT sentado <5 ° C
- Ebulição do Nucleado 5 ° C < ΔT sentado <30 ° C
- Ebulição de transição 30 ° C < ΔT sentado <200 ° C
- Ebulição de filme 200 ° C < ΔT sentado
Ebulição por convecção natural
Em termodinâmica , o requisito para ocorrer a ebulição de substâncias puras é que T wall = T sat . Mas em experimentos reais, a ebulição não ocorre até que o líquido seja aquecido alguns graus acima da temperatura de saturação. A temperatura da superfície deve estar um pouco acima da temperatura de saturação para sustentar a formação de vapor. A ebulição por convecção natural ocorre quando ΔTsat <5 ° C. Nesse modo de ebulição , será observado vapor sobre a superfície da água, mas geralmente não há bolhas será observado. À medida que a temperatura de superaquecimento aumenta, eventualmente ocorre o aparecimento de bolhas, mas abaixo do ponto A, o movimento do fluido é determinado principalmente pelas correntes de convecção naturais. O ponto A é geralmente referido como o início da ebulição nucleada – ONB .
Ebulição
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA
Nos capítulos anteriores, discutimos a transferência de calor por convecção com suposição muito importante. Assumimos uma transferência de calor por convecção monofásica sem nenhuma mudança de fase. Neste capítulo, focaremos na transferência de calor por convecção associada à mudança na fase de um fluido . Em particular, consideramos processos que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido ou vapor-sólido, ou seja, ebulição (mudança de fase de líquido para vapor) e condensação ( mudança de fase de vapor para líquido).
Para esses casos, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia da vaporização, é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.
A entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.
Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)
h lg = 2257 kJ / kg
Calor latente de vaporização – água a 3 MPa
h lg = 1795 kJ / kg
Calor latente de vaporização – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )
h lg = 931 kJ / kg
O calor da vaporização diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico . Acima do ponto crítico, as fases líquida e de vapor são indistinguíveis, e a substância é chamada de fluido supercrítico .
A mudança do estado líquido para o vapor devido à ebulição é sustentada pela transferência de calor da superfície sólida; por outro lado, a condensação de um vapor no estado líquido resulta na transferência de calor para a superfície sólida. A ebulição e a condensação diferem de outras formas de convecção, pois dependem do calor latente de vaporização , que é muito alto para pressões comuns ; portanto, grandes quantidades de calor podem ser transferidas durante a ebulição e a condensação, essencialmente a temperatura constante. Os coeficientes de transferência de calor , h, associados à ebulição e condensação são tipicamente muito mais altosdo que os encontrados em outras formas de processos de convecção que envolvem uma única fase.
Isso ocorre porque, mesmo em fluxo turbulento , existe uma camada de filme fluido estagnada (subcamada laminar), que isola a superfície do trocador de calor. Essa camada de filme fluido estagnado desempenha papel crucial para o coeficiente de transferência de calor por convecção. Observa-se que o fluido para completamente na superfície e assume velocidade zero em relação à superfície. Esse fenômeno é conhecido como condição antiderrapante e, portanto, na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior. Como foi escrito,a ebulição de nucleados na superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição de nucleados aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel.
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