Modos de ebulição – Tipos de ebulição
Do ponto de vista prático da engenharia, a ebulição pode ser categorizada de acordo com vários critérios .
Categorização pelo regime de fluxo:
- Ebulição da piscina . Talvez a configuração mais comum, conhecida como ebulição da piscina, seja quando uma piscina de líquido é aquecida por baixo através de uma superfície horizontal. Na fervura da piscina, o líquido é quieto e seu movimento perto da superfície é principalmente devido à convecção natural e à mistura induzida pelo crescimento e desprendimento da bolha. O trabalho pioneiro em ebulição da piscina foi realizado em 1934 por S. Nukiyama. Ele foi o primeiro a identificar quatro regimes diferentes e bem conhecidos de ebulição da piscina usando seu aparelho.
Ebulição do fluxo. Na ebulição do fluxo (ou ebulição por convecção forçada), o fluxo de fluido é forçado sobre uma superfície por meios externos, como uma bomba , bem como por efeitos de flutuabilidade. Portanto, a ebulição do fluxo é sempre acompanhada por outros efeitos de convecção. As condições dependem fortemente da geometria, que pode envolver fluxo externo sobre placas e cilindros aquecidos ou fluxo interno (duto). Nos reatores nucleares , a maioria dos regimes de ebulição é apenas fervura de convecção forçada.
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 .
Quatro regimes de ebulição diferentes da ebulição da piscina (com base no excesso de temperatura) são observados:
- 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
Descrição dos modos de ebulição :
Ebulição por convecção natural. Na termodinâmica , o requisito para ocorrer a ebulição de substâncias puras é que T wall = T sat . Porém, 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. Nesse modo de ebulição , o vapor será observado sobre a superfície da água, mas geralmente não há bolhasserá observado. À medida que a temperatura de superaquecimento aumenta, eventualmente ocorre o início da bolha, 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 Nucleada. O tipo mais comum de ebulição local encontrado em instalações nucleares é a ebulição nucleada . Na ebulição nucleada , as bolhas de vapor se formam na superfície de transferência de calor e depois se separam e são transportadas para a corrente principal do fluido. Esse movimento melhora a transferência de calor porque o calor gerado na superfície é transportado diretamente para a corrente de fluido. Uma vez na corrente principal de fluido, as bolhas colapsam porque a temperatura do fluido não é tão alta quanto a temperatura da superfície de transferência de calor onde as bolhas foram criadas. Às vezes, esse processo de transferência de calor é desejável porque a energia criada na superfície de transferência de calor é rápida e eficientemente “transportada”.
Ebulição de transição. O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Isso ocorre porque uma grande fração da superfície é coberta por uma película de vapor, que atua como um isolamento térmico devido à baixa condutividade térmica do vapor em relação à do líquido. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de transição ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como “ crise da ebulição”. Como além do ponto CHF o coeficiente de transferência de calor diminui, a transição para a ebulição de película é geralmente inevitável.
Ebulição de filme. Um aumento adicional no fluxo de calor faz com que um filme de vapor cubra a superfície. Isso reduz significativamente o coeficiente de convecção, uma vez que a camada de vapor tem uma capacidade de transferência de calor significativamente menor. Como resultado, o excesso de temperatura atinge um valor muito alto. Além do ponto de Leidenfrost , um filme de vapor contínuo cobre a superfície e não há contato entre a fase líquida e a superfície. Nesta situação, a transferência de calor é tanto por radiação quanto por condução ao vapor. Se o material não for forte o suficiente para suportar essa temperatura, o equipamento falhará por danos ao material. Esse fenômeno também é conhecido como burn out. Nos reatores de água pressurizada, um dos principais requisitos de segurança (talvez o mais importante) é que o afastamento da ebulição nucleada ( DNB ) não ocorrerá durante a operação em estado estacionário, transientes operacionais normais e ocorrências operacionais previstas (AOOs). A integridade do revestimento de combustível será mantida se o DNBR mínimo permanecer acima do limite de DNBR 95/95 para PWRs (uma probabilidade de 95% com um nível de confiança de 95%). Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor se acumula na barra de combustível, causando um aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível. Simplesmente, é necessária uma diferença de temperatura muito alta para transferir o fluxo de calor crítico produzido da superfície da barra de combustível para o líquido de arrefecimento do reator (através da camada de vapor).
Categorização pela temperatura de sub-resfriamento, ΔT sub .
A ebulição também pode ser classificada de acordo com se é sub-resfriada ou saturada:
- Ebulição sub-resfriada. Na ebulição sub-resfriada , a temperatura da maior parte do líquido está abaixo da temperatura de saturação e as bolhas formadas na superfície podem condensar no líquido. Essa condensação (colapso) produz um som de frequência ~ 100Hz – 1 KHz. É por isso que uma chaleira elétrica faz mais barulho antes que a água ferva saturada. O termo sub-resfriamento refere-se a um líquido existente a uma temperatura abaixo do seu ponto de ebulição normal.
- Ebulição saturada . Na ebulição saturada (também conhecida como ebulição a granel ), a temperatura do líquido excede levemente a temperatura de saturação. A ebulição em massa pode ocorrer quando a temperatura do sistema aumenta ou a pressão do sistema cai para o ponto de ebulição. Nesse ponto, as bolhas que entram no canal de refrigerante não colapsam. As bolhas tendem a se unir e formar bolhas de vapor maiores. As bolhas de vapor são então impulsionadas através do líquido por forças de flutuação, eventualmente escapando de uma superfície livre.
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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