Análise do desempenho dos termossifões

A Figura 2-15 mostra o gráfico de desempenho dos termossifões estudados neste trabalho. O gráfico mostra a taxa de transferência de calor medidos para diversos níveis de temperatura de vapor dos termossifões. Quanto mais alta a taxa de transferência de calor para uma mesma temperatura, melhor o desempenho do termossifão. A queda do desempenho está sempre associada ao fenômeno da ponta fria. Quanto maior o gradiente de temperatura ao longo do condensador, ou seja, mais pronunciada a ponta fria, maior deve ser a temperatura média do

termossifão para o condesador rejeitar uma dada taxa de transferência de calor ao meio.

Como se pode perceber na Figura 2-15, o termossifão com carregamento ideal (IT) apresenta as maiores taxas de transferência de calor para uma dada temperatura. Por outro lado, o tubo vazio (HT) apresenta o menor desempenho. O desempenho dos termossifões C1, C2, C3 e C4 se encontram entre o desempenho mínimo, obtido com o temossifão HT e o desempenho máximo, obtido com o termossifão IT. Além disso, nota-se que todos os termossifões estudados apresentam um comportamento similar ao de um tubo vazio (termossifão HT) antes do início de operação (startup). O startup do termossifão é caracterizado por um aumento súbito da capacidade de transferência de calor para uma dada temperatura de vapor.

Figura 2-15: Comparação do desempenho de cada um dos termossifões estudados. Para contar com um parâmetro de comparação entre os diferentes termossifões testados, define-se início de operação como um aumento súbito da taxa de transferência de calor do termossifão, isto é, quando o termossifão deixa de se comportar como um tubo vazio e comporta-se como um supercondutor de calor. Assim, neste trabalho a temperatura de início de operação corresponde à temperatura de vapor medida na seção adiabática quando o primeiro termopar do condensador (T1) atinge a temperatura do regime contínuo (692K), determinada através do modelo

apresentado em [29]. Considerando esta definição e a partir dos transientes de temperatura apresentados nas Figura 2-16 – Figura 2-20 foi obtida a temperatura de início de operação para todos os termossifões testados neste trabalho as quais são apresentadas na Tabela 2-5. Observa-se que os termossifões que apreObserva-sentaram melhor deObserva-sempenho são também aqueles que apresentaram menor temperatura de vapor para o início de operação. É importante ressaltar que os testes de desempenho realizados nos termossifões HT, C1, C2 e C3 foram finalizados quando a temperatura na parede do evaporador atingia valores superiores a 1300 K. Já os testes dos termossifões C4 e IT foram finalizados quando o limite da capacidade de fornecimento de calor do indutor foi atingida, ou seja, a sua máxima capacidade foi limitada a 730 W. As taxas de calor transferidas pelos termossifões testados são apresentadas na Tabela 2-6.

Tabela 2-5: Temperatura de início de operação (startup) dos termossifões testados Termossifão Temperatura C1 1070 K C2 850 K C3 1050 K C4 950 K IT 780 K

Tabela 2-6: Taxas de calor transferidas pelos termossifões testados

C1 C2 C3 C4 IT T axa de c al or [ W] q1 29,7 25,4 20,2 40,9 23,4 q2 42,6 36,9 31,2 111,2 62,9 q3 56,5 79,4 42,8 227,3 104,2 q4 125,6 376,9 171,6 369,8 162,6 q5 - 464,8 392,4 571,1 290,5 q6 - 764,4 - 653,2 421,1 q7 - - - - 517,3 q8 - - - - 627,9 q9 - - - - 730,3

Dos termossifões estudados, o termossifão C1 foi o que apresentou o pior desempenho, comportando-se de forma similar ao termossifão HT, como se observa na Figura 2-15. Quando a temperatura de vapor do sódio atinge os 1070 K, observa-se um leve aumento no desempenho do termossifão C1 em relação ao termossifão HT, devido ao início de operação do termossifão. Isto pode ser evidenciado mais facilmente

através da Figura 2-16, onde se mostra o transiente de temperatura do termossifão C1. Observa-se que, quando a temperatura do vapor (Ta) atinge aproximadamente 1070 K, o primeiro termopar do condensador (T1) apresenta um aumento súbito da temperatura provocado pela presença repentina do vapor de sódio, provavelmente gerada pelo rompimento de uma bolha de vapor no evaporador, que arrastra líquido aquecido ao condensador, como se observa no ponto (1) da Figura 2-16, evidenciando o início de operação. Após atingir o regime permanente, as temperaturas no condensador se estabilizaram em valores maiores do que os observados no início de operação, como se observa no ponto (2) da Figura 2-16.

Figura 2-16: Transiente de temperatura do termossifão C1. (Temperaturas segundo Figura 2-11).

É importante destacar que, embora o início de operação do termossifão C1 aumenta levemente o desempenho em relação ao tubo HT, o excessivo superaquecimento apresentado na parede do evaporador (maior que 1.200 K) torna este dispositivo altamente perigoso e não é recomendado para aplicações industriais.

A Figura 2-17 mostra o transiente de temperaturas do termossifão C2. Observa-se que o início de operação aconteceu quando a temperatura de vapor (Ta) atingiu aproximadamente 850 K, evidenciado pelo aumento

brusco da temperatura no primeiro termopar do condensador (T1) devido à chegada repentina do vapor de sódio. Este aumento na temperatura gera um pequeno aumento do desempenho do termossifão, tendo um comportamento similar ao observado ao termossifão C1 (Figura 2-15).

Quando a temperatura de vapor atinge aproximadamente 1150 K, uma maior taxa de vapor é gerada no evaporador, o qual se desloca pelo termossifão até regiões mais próximas à ponta do condensador, gerando um aumento súbito na temperatura do condensador e consequentemente um aumento acelerado do desempenho do termossifão. Ele chega a transferir até quase seis vezes mais calor que o termossifão C1 para uma mesma temperatura de vapor. Portanto, é possível inferir que, se o carregamento de sódio é realizado em uma atmosfera não controlada, é recomendável realizar o carregamento em estado líquido através do procedimento apresentado na seção 2.2.5 ao invés do carregamento em estado sólido apresentado na seção 2.2.4. Observa-se também na Figura 2-17, que existem grandes oscilações de temperatura com o tempo para todos os termopares do condensador. Segundo Mantelli et al. [24] este tipo de comportamento é associado ao fenômeno de Geyser Boiling.

Figura 2-17: Transiente de temperatura termossifão C2. (Temperaturas segundo Figura 2-11).

O termossifão C3 apresentou um desempenho inferior ao observado no termossifão C2, como visto na Figura 2-15. Além disso, o início de operação aconteceu quando a temperatura de vapor atingiu aproximadamente 1050 K, isto é, 200 K a mais que o termossifão C2, como mostrado na Tabela 2-5. As curvas transientes de temperatura do termossifão C3 é mostrado na Figura 2-18. Embora o termossifão C3 tenha sido carregado em uma atmosfera controlada, a diferença no desempenho e no início de operação pode ser relacionada à maior quantidade de impurezas quando comparado com o C2 (Figura 2-13). Estas impurezas podem gerar GNC no interior do termossifão. Deve-se lembrar também que o processo de fechamento realizado nos termossifões carregados em estado sólido é de menor qualidade que os realizados nos termossifões carregados em estado líquido (Tabela 2-4). Portanto, é de esperar que o termossifão C3 tenha uma maior quantidade de GNC no seu interior, o que dificulta o início de operação e consequentemente diminui o desempenho do dispositivo. Conclui-se que um termossifão carregado em estado líquido sem atmosfera controlada apresenta um melhor desempenho que um termossifão carregado em estado sólido com atmosfera controlada. Quando se compara os termossifões C1 e C3 observa que, quando o a temperatura de vapor atinge aproximadamente 1200 K, o termossifão C3 consegue transferir quase três vezes mais calor que o termossifão C1, concluindo que, se o carregamento é realizado em estado sólido, é fundamental contar com uma atmosfera controlada para conseguir um melhor desempenho no dispositivo

O termossifão C4 foi o que apresentou o melhor desempenho depois do termossifão ideal (IT). O Início de operação do termossifão C4 aconteceu a aproximadamente 950 K, como se observa na Figura 2-19, o que corresponde a quase 200 K a mais que o início de operação do termossifão IT (Tabela 2-5). Esta diferença está associada exclusivamente ao processo de fechamento realizado no termossifão C4. Segundo se observa na Tabela 2-4, a pressão interna no termossifão C4 após o fechamento foi de aproximadamente 2x10-4 bar. Desta forma, para deslocar os GNC até regiões superiores do condensador, é necessário, no mínimo, atingir uma temperatura de 640 K (temperatura de saturação do sódio a 2x10-4 bar) no primeiro termopar do condensador. Isto pode ser observado na Figura 2-19, onde se mostra que, quando a temperatura no termopar T1 é próxima a 640 K, a temperatura na seção adiabática (Ta) é de aproximadamente 950 K, que corresponde à temperatura de início de operação do termossifão C4.

A presença de GNC no termossifão não só afeta o início de operação do termossifão, mas também o seu desempenho, como já mencionado. Assim, quando a temperatura de vapor no termossifão C4 foi de 950 K, o vapor de sódio só conseguiu se deslocar até o início do condensador, gerando um gradiente de temperatura similar ao de uma aleta anular, com um desempenho igual ao observado no termossifão HT. Quando a temperatura de vapor do termossifão C4 foi de aproximadamente 1050 K, a pressão do vapor conseguiu comprimir os GNC no umbilical do termossifão, fazendo que a temperatura ao longo do condensador fosse praticamente constante, o que corresponde a um desempenho similar ao termossifão IT, como mostrado na Figura 2-15. Desta forma, se observa que, mesmo uma quantidade mínima de GNC no interior do termossifão, pode diminuir significativamente o desempenho do dispositivo, quando este opera a baixas temperaturas de vapor.

Figura 2-18: Transiente de temperatura do termossifão C3. (Temperaturas segundo Figura 2-11).

Figura 2-19: Transiente de temperatura do termossifão C4. (Temperaturas segundo Figura 2-11).

Figura 2-20: Transiente de temperatura do termossifão IT. (Temperaturas segundo Figura 2-11).

Em todos os termossifões estudados, evidenciou-se intensas oscilações nas temperaturas medidas do condensador logo após o início de operação, as quais podem ser associadas à abrupta expansão do vapor de sódio no interior do evaporador (Figura 2-16 até Figura 2-20). Como já mencionado, este fenômeno é conhecido na literatura como Geyser Boiling, o qual também foi observado no trabalho apresentado por Mantelli et al. [24] em termossifões carregados com sódio em estado sólido e atmosfera controlada.

Segundo Tecchio et al. [30] quando uma bolha de vapor é formada na parede do evaporador, dependendo da resistência imposta pela coluna de fluido presente acima da bolha, esta pode crescer até atingir dimensões da ordem do diâmetro interno do termossifão. Quando a pressão interna da bolha é superior à pressão imposta pelo fluido acima da bolha, esta rompe e desloca tanto o vapor em seu interior como o líquido que está acima dela, que é propelido por toda a extensão do condensador, que estando aquecido, gera um aumento acelerado da temperatura do condensador, como pode ser observado no ponto (1) da Figura 2-16 até a Figura 2-20. Este rompimento abrupto da bolha pode ser modelado como uma pequena explosão em ambiente confinado, que produz, como se observa experimentalmente, um som característico e uma vibração em todo o termossifão. O líquido, em contato com a parede fria do evaporador é então rapidamente resfriado, retornando ao evaporador, onde é reaquecido. Se as condições de operação permanecem as mesmas, uma nova bolha começa a se formar no evaporador, repetindo o ciclo de formação e rompimento de bolhas de vapor, com se mostra no ponto (2) da Figura 2-16 até a Figura 2-20. É importante destacar que, durante o fenômeno de Geyser Boiling, e depois do ponto (2) ter sido atingido, observa-se uma diminuição contínua da temperatura do condensador junto com um aumento da temperatura do evaporador, durante a formação da bolha. Além disto, a liberação destas bolhas pode gerar um aumento no coeficiente de transferência de calor no evaporador devido à alta movimentação do fluido durante este processo, provocando, por conseguinte, um aumento no desempenho do termossifão. Nos testes realizados, não foi possível observar a variação da temperatura no evaporador gerada pela formação da bolha. Isto se deve principalmente à falta de termopares no evaporador. Só foi montado um termopar de segurança na seção do evaporador, uma vez que a análise do fenômeno de Geyser Boiling não era o foco do trabalho. Assim, provavelmente este termopar não estava colocado no sitio exato onde a bolha de vapor estava se formando.

2.4 CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos neste trabalho pode-se concluir que o processo de fechamento de um termossifão bifásico é tão importante quanto o processo de carregamento, principalmente em termossifões que operam com sódio como fluido de trabalho. Foram realizados teste com quatro processos de fechamentos, onde o processo de fechamento 4 foi o que apresentou a menor perda de vácuo de todos os processos testados. Mesmo assim, observou-se um aumento da pressão interna do termossifão de 0,2 mbar no caso dos termossifões com umbilical e de 8,7 mbar no caso dos termossifões sem umbilical.

Todos os termossifões estudados apresentam um comportamento similar ao termossifão HT antes do início de operação. No início de operação observam-se diferentes temperaturas para cada caso analisado. Os termossifões que apresentaram melhor desempenho são também aqueles que apresentaram menor temperatura de vapor para o início de operação. O termossifão C1 foi o que apresentou o pior desempenho entre os termossifões analisados. O desempenho é levemente superior a um tubo vazio (HT). A excessiva diferença de temperatura entre a parede do evaporador e o vapor observada torna este dispositivo altamente perigoso, não sendo recomendado para aplicações industriais.

O termossifão C2 consegue transferir até quase seis vezes mais calor que o termossifão C1, para uma mesma temperatura de vapor, mostrando que, se o carregamento de sódio é realizado em uma atmosfera não controlada, é recomendável realizar o carregamento em estado líquido através do procedimento apresentado na seção 2.2.5, ao invés do carregamento em estado sólido apresentado na seção 2.2.4.

O termossifão C3 consegue transferir até duas vezes mais calor que o termossifão C1 para uma mesma temperatura de vapor, concluindo que se o carregamento é realizado em estado sólido, é fundamental contar com uma câmara com atmosfera controlada para conseguir um melhor desempenho no dispositivo. Porém, o termossifão C2 consegue transferir quase três vezes mais calor que o termossifão C3 para uma mesma temperatura de vapor, mostrando que um termossifão carregado em estado líquido sem atmosfera controlada apresenta um melhor desempenho que um termossifão carregado em estado sólido com atmosfera controlada.

O termossifão IT foi o que apresentou o melhor desempenho entre todos os termossifões estudados, servindo como um termossifão de referência a nível laboratorial. Desta forma, todos os experimentos

apresentados nos próximos capítulos desta tese foram realizados através do processo ideal de carregamento (IT). Já o termossifão C4 apresentou o segundo melhor desempenho perdendo só para o termossifão ideal (IT). Quando a temperatura de vapor do termossifão C4 foi de 1150 K, a pressão do vapor foi alta o suficiente para comprimir os GNC no umbilical do termossifão, fazendo que a temperatura ao longo do condensador fosse praticamente constante, que corresponde a um desempenho similar ao termossifão IT, mostrando que este processo de carregamento se apresenta como uma boa alternativa na fabricação de termossifões com sódio, visando aplicações industriais, devido principalmente ao bom desempenho apresentado, à segurança de manipulação e ao baixo custo de implementação. No caso de não se contar com uma glovebox, se recomenda a utilização do procedimento utilizado para a fabricação do termossifão C2.

Portanto pode se concluir que o dispositivo de carregamento desenvolvido se apresenta como uma boa alternativa na fabricação de termossifões com sódio visando aplicações industriais, devido principalmente ao bom desempenho apresentado nos termossifões estudados, à segurança de manipulação do sódio durante o carregamento e ao baixo custo de implementação.

Dois fenômenos indesejados foram observados em todos os termossifões durante a operação. O primeiro fenômeno foi o de ponta fria, que foi observado até no termossifão IT, o qual tinha sido carregado através de um processo ideal, que teoricamente garante uma operação sem GNC. Desta forma, comprova-se que o fenômeno de ponta fria em termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho é causado tanto pela presença de GNC, como também pela falha da hipótese do contínuo nas regiões mais extremas do condensador. Portanto, é necessário realizar um estudo detalhado para modelar o perfil de temperatura e os desempenhos dos termossifões que apresentam este tipo de comportamento, de maneira a se contar com uma ferramenta de projeto visando à implementação destes dispositivos em aplicações industriais.

O segundo fenômeno observado foi o fenômeno de Geyser Boiling, evidenciado pelas intensas oscilações na temperatura do condensador logo após o início de operação. O fenômeno é também claramente observado através de um som característico e por uma vibração intensa. Estas vibrações podem acarretar graves problemas nas soldas dos equipamentos onde estes dispositivos serão montados. Portanto, é necessário realizar um estudo detalhado deste fenômeno com o objetivo de predizer o comportamento da formação das bolhas de vapor, e assim evitar ou minimizar as vibrações visando aplicações industriais seguras.

2.5 NOMENCLATURA