TODO DE REGRESSÃO DE DADOS
4.6 ANÁLISE COMPARATIVA DO DESEMPENHO DOS REFRIGE-
RANTES BASEADA NA 2
○LEI DA TERMODINÂMICA
Esta seção apresenta uma análise do desempenho termo-hidráulico do dissipador de calor baseada na 2○ Lei da Termodinâmica. Inicialmente, apresenta-se uma introdução na qual se destaca a importância das análises baseadas em exergias e compara-se relativamente as irrever- sibilidades associadas aos processos de transferência de calor e perda de pressão. Finalmente, são analisados os resultados para a eficiência da 2○Lei.
4.6.1
INTRODUÇÃOA importância de uma análise baseada na 2○ Lei da Termodinâmica, se destaca a partir dos seguintes aspectos: (i) permite o desenvolvimento de trocadores de calor incluindo um parâmetro adicional de desenho, com avaliação dos fluxos de energia entre a superfície dos microcanais e o fluido refrigerante, incorporando efeitos de transferência de calor e de fricção. Shah e Sekulic (2003) ressaltam a importância do desenho de trocadores de calor com base em um critério envolvendo a 2○ Lei que, segundo eles, fornece informação adicional descrevendo o processo de transporte de energia. (ii) o processo de transferência de calor durante a ebulição convectiva em dissipadores de calor baseados em microcanais, apresenta elevadas perdas de pressão, o qual implica em uma variação significativa da temperatura de saturação sendo isto, uma característica representativa do refrigerante, pois envolve a alteração da diferença de temperatura entre a parede do microcanal e o fluido. Este fato não é caracterizado por uma análise da transferência de calor baseada apenas em refrigerantes que fornecem CTC similares e diferentes perdas de pressão. Este aspecto também é indicado por Cavallini et al. (2010) em sua análise comparativa do desempenho de refrigerantes considerando termos de penalização com base nas perdas de exergia. Neste contexto, Bejan e Pfister (1980) e Bejan (1982, 1996 e 1997) ressaltam a importância de avaliar a conservação de energia útil (exergia, o trabalho disponível) ao analisar os processos de fluxo de energia e, avaliar técnicas de intensificação da transferência de calor, o qual pode ser medido em termos de taxa de geração de entropia (irreversibilidade, destruição exergia) no dispositivo de transferência de calor no qual é aplicada.
As Figuras 4.28 a 4.32 apresentam os resultados obtidos através da análise baseada na 2○ Lei da Termodinâmica. Os dados apresentados nestas figuras correspondem apenas a condições de redução progressiva do fluxo de calor (D) e foram distribuídos segundo as regiões 1φ e 2φ descritas no item 4.4.1. Uma análise de exergia para condições de incremento progressivo de fluxo de calor (I) não é apresentada, pois parece razoável avaliar o dissipador em condições nas quais os sítios de nucleação encontram-se ativos, correspondendo a uma condição operacional típica. No caso de resultados indicando efeitos de histerese corresponderia à apenas uma condição de início de operação.
4.6.2
IRREVERSIBILIDADESInicialmente, uma análise para determinar os efeitos relativos da transferência de calor e de perda de pressão sobre a irreversibilidade gerada foi efetuada. Tal análise foi efetuada com base no Número de Bejan (Be), dado pela seguinte equação:
Be = 1
1 + Ni
(4.2) onde Ni é conhecido na literatura como o número de intensificação dos efeitos de entropia gerada no processo e corresponde à razão entre as irreversibilidades devido à perda de pressão e à transferência de calor, Ni = S˙ger;∆p/ ˙Sger;∆T. Desta forma, para Be próximos a unidade, os efeitos predominantes correspondem a irreversibilidades geradas devido à diferenças de temperatura durante o processo de transferência de calor. Já, para valores de Be próximos a zero, os efeitos predominantes correspondem a irreversibilidades geradas na perda de pressão.
No presente estudo, verificou-se Números de Bejan entre 0,97eBe ≤ 0,99. Desta forma, verifica-se que os efeitos predominantes sobre as irreversibilidades ao longo do dissipador estão relacionados ao processo de transferência de calor. Vale destacar que, embora a irreversibilidade diretamente associada ao decréscimo da pressão seja reduzida, ela afeta a irreversibilidade associada à diferença de temperatura no processo de transferência de calor devido à variação da temperatura de saturação ao longo dos canais com a diminuição da pressão de saturação.
As Figuras 4.28 e 4.29 ilustram o comportamento da taxa de geração de entropia experimen- tal com a variação do fluxo de calor para os hidrocarbonetos avaliados no presente estudo e o R134a. Nesta figuras, sob condições correspondentes a 1φ ao longo do dissipador de calor, a taxa de geração de entropia aumenta apenas marginalmente com o aumento do fluxo de calor. Além disso, os refrigerantes apresentam comportamentos próximos.
Figura 4.28 – Ilustração do efeito do fluido refrigerante sobre a taxa de geração de entropia com a variação do fluxo de calor para G = 330 kg/m2s.
O gradiente de taxa de geração de entropia com a variação do fluxo de calor na presença de ebulição convectiva ao longo dos canais correspondente a região 2φ, é superior a região 1φ, e apresenta valores aproximadamente constantes. Além disso, de acordo com a Fig. 4.28, o refrigerante R134a fornece a maior taxa de geração de entropia para um fluxo de calor fixo comparado com os hidrocarbonetos. Segundo a Fig. 4.28, para a velocidade mássica de 330 kg/m2s, as diferenças de geração de entropia entre os hidrocarbonetos são marginais. No entanto, para uma velocidade mássica de 658 kg/m2s, como mostrado na Fig. 4.29, o refrigerante R600a apresenta uma taxa de geração de entropia nitidamente superior ao R290 e ao R1270. Estes dois fluidos apresentam taxas de geração de entropia próximas independentes da velocidade mássica.
Figura 4.29 – Ilustração do efeito do fluido refrigerante sobre a taxa de geração de entropia com a variação do fluxo de calor para G = 658 kg/m2s.
4.6.3
EFICIÊNCIA DE ACORDO COM A 2○ LEI DA TERMODINÂMICAAs Figuras 4.30 a 4.32 ilustram o comportamento da Eficiência da Segunda Lei com a variação do fluxo de calor para diferentes condições experimentais. De acordo com estas figuras, em condições correspondentes a 2φ, a Eficiência da Segunda Lei diminui com o aumento do fluxo de calor e tende para um valor assintótico para fluxos de calor elevados, quando a razão entre as exergias destruída e fornecida tende para um valor constante.
Um comportamento curioso é observado nas Figs. 4.30 a 4.32 para os dados obtidos em condições de redução progressiva do fluxo de calor. De acordo com estas figuras, para escoamento sob condições correspondentes a região 1φ, ηIIapresenta um "platô" caracterizado por um aumento marginal da Eficiência da Segunda Lei com a elevação do fluxo de calor. Para condições caracterizadas pela região 2φ ao longo dos canais, ηII diminui com o aumento do fluxo de calor.
De acordo com a Fig. 4.30, ηII decresce com a redução do grau de sub-resfriamento do líquido na entrada da seção de testes. Este comportamento está associado ao fato da redução da temperatura na entrada do dissipador resulta no incremento de exergia destruída. Este efeito é predominante comparado com o incremento da diferença de temperatura verificado para graus de sub-resfriamento superiores.
Segundo a Fig. 4.31, a Eficiência da Segunda Lei aumenta com o incremento da velocidade mássica. Este resultado pode ser explicado com base na comparação das Figs. 4.28 e 4.29, a partir da qual constata-se que a taxa de geração de entropia diminui com o aumento da velocidade mássica.
Figura 4.30 – Ilustração do efeito do grau de sub-resfriamento líquido no comportamento da Eficiência da 2○Lei com o decréscimo gradual do fluxo de calor. R290, T
sat=25○C e G = 330 kg/m2s.
Figura 4.31 – Ilustração do efeito da velocidade mássica sobre o comportamento da Eficiência da 2○Lei com o decréscimo gradual do fluxo de calor. R1270, Tsat=25○C e ∆Tsub=10○C.
A Figura 4.32 ilustra o efeito do fluido sobre o comportamento da Eficiência da Segunda Lei com a variação do fluxo de calor. De acordo com esta figura, a ordem decrescente para a Eficiência da Segunda Lei é a seguinte: R290, R1270/R600a e R134a. Este resultado deve- se principalmente aos coeficientes de transferência de calor superiores fornecidas pelo R290, como indicado anteriormente. Resultados similares para o R1270 e o R600a estão relacionados com o coeficiente de transferência de calor elevado de ambos os fluidos e a contribuição relativamente reduzida da perda de pressão para a ineficiência do processo, tal como mostrado através da análise do Número Bejan. O desempenho inferior do R134a em comparação com os hidrocarbonetos deve-se a este refrigerante fornecer coeficientes de transferência de calor inferiores e uma maior perda de pressão para um fluxo de calor fixo.
Figura 4.32 – Ilustração do efeito do fluido refrigerante sobre o comportamento da Eficiência da 2○Lei com o decréscimo gradual do fluxo de calor. G = 330 kg/m2s, Tsat=25○C e ∆Tsub=5○C.