Análise dos resultados experimentais

De modo a se ter uma base de comparação entre os diferentes termossifões testados, define-se o início de operação do termossifão quando se observa um aumento súbito da taxa de transferência de calor do termossifão, isto é, quando o termossifão deixa de se comportar como um tubo vazio (tubo sem sódio, isto é, com RE=0) 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 (T8) atinge a temperatura do regime do contínuo (692K), determinada através da equação (3-13).

As Figura 3-3 a Figura 3-6 mostram os gráficos de temperatura em regime transiente para cada um dos termossifões estudados neste trabalho. O ponto (1) nos gráficos indica o início de operação dos termossifões, onde se observa que quanto menor é a RE do termossifão, menor é o tempo necessário para o início de operação. Além disso, termossifões com

baixos RE possuem temperaturas de início de operação menores. A Tabela 3-5 apresenta as temperaturas registradas na seção adiabática do condensador, no momento que o primeiro termopar do condensador (T8) atinge a temperatura do contínuo calculada através do modelo proposto em [27] (nos termossifões estudados a temperatura do contínuo foi aproximadamente 700 K). O ponto (2) dos gráficos da Figura 3-3 mostra o início da região de GB, que acontece em todos os casos a partir do instante em que a temperatura do vapor no topo do condensador (T13) atinge a temperatura do contínuo. O ponto (3) mostra o fim da região de GB e início da operação ideal do termossifão. As taxas de calor fornecidas no evaporador durante os testes são apresentadas na Tabela 3-6.

Tabela 3-5: Temperaturas de início de operação Termossifão Início de Operação

T8g 805 K

T17g 818 K

T24g 970 K

T36g 966 K

Tabela 3-6: Taxas de calor transferidas pelos termossifões testados

T8g T17g T24g T36g T axa de c al or [ W] q1 126,6 40,5 20,0 29,1 q2 256,3 106,9 33,6 48,5 q3 422,2 187,5 71,2 85,0 q4 563,9 293,2 149,4 148,2 q5 674,9 508,2 510,3 513,1 q6 - 681,5 675,5 656,9 q7 - 820,4 850,0 836,9 q8 - 979,4 1007,9 966,8 q9 - 1136,3 1154,6 1152,0

Observa-se também nos gráficos do transiente de temperatura que o comportamento dos termossifões pode ser dividido em três regiões. Na primeira região, denominada de “aleta”, os termossifões apresentam um alto gradiente de temperatura ao longo do condensador, similar ao observado em aletas térmicas, devido ao fato de que o escoamento de vapor nas regiões mais extremas do condensador ocorre no regime molecular.

Figura 3-3: Transiente de temperatura do termossifão T8g (RE=0,32). Na segunda região observa-se o fenômeno de Geyser Boiling (GB), evidenciado pelas intensas oscilações das temperaturas registradas tanto no evaporador como no condensador. Nesta região, são observadas duas sub-regiões bem definidas: região de GB superior, que corresponde ao momento imediatamente após uma bolha geradora de GB explode, caracterizada por um aumento na homogeneização da temperatura do termossifão e consequente melhora no desempenho do dispositivo; e a região de GB inferior, que corresponde ao momento anterior ao rompimento da bolha, caracterizada por um aumento da diferença de temperatura entre temperatura da parede do evaporador e a temperatura de vapor registrada no condensador, e por grandes gradientes de temperaturas no condensador. Essa é a região onde o termossifão tem o pior desempenho. A terceira região, denominada de região ideal, o termossifão se comporta como um termossifão convencional, apresentando um alto grau de homogeneidade na temperatura ao longo do condensador, sendo que onde o fenômeno de GB pode ser desprezado. É importante destacar que o termossifão T8g, com 32% de RE, o efeito de GB foi praticamente insignificante evidenciado somente pelo comportamento das temperaturas no condensador e o evaporador. Porém, ele apresentou secagem do evaporador, como se observa na Figura 3-3a.

Figura 3-4: Transiente de temperatura do termossifãoT17g (RE=0,69).

Figura 3-6: Transiente de temperatura do termossifão T36g (RE=1,44). A Figura 3-7 mostra o gráfico de desempenho dos termossifões, ou seja, as taxas de transferência de calor para diversos níveis de temperatura de vapor nos termossifões. Observa-se que, quanto mais alta é a taxa de transferência de calor para uma mesma temperatura de vapor, melhor é o desempenho do dispositivo. O gráfico está dividido nas três regiões de operação do termossifão: aleta, GB e ideal.

Na região de aleta, logo antes do início de operação, observa-se que todos os termossifões tiveram um comportamento similar ao apresentado num tubo vazio, sendo os termossifões com menor RE os que iniciaram suas operações antes. Após o início de operação, a RE tem uma grande influência no desempenho dos termossifões, mostrando que quanto menor a RE, maior é o desempenho do dispositivo. Na Região de GB, a diferença observada entre os desempenhos dos termossifões com diferentes RE é menor que a observada na Região de Aleta, diminuindo gradativamente à medida que maiores taxas de calor foram inseridas no evaporador, até esta diferença de comportamento praticamente se anular na região ideal.

As oscilações da temperatura no evaporador e condensador devido ao fenômeno de GB são intensificadas com o aumento da RE. Isto pode ser observado nos gráficos das Figura 3-8 e Figura 3-9, onde ponto (1) mostra o momento logo após uma bolha geradora de GB estourar (Região

de GB Superior). Nesse momento, observa-se que, independentemente da razão de enchimento, a diferença de temperatura entre a parede do evaporador e a temperatura do vapor de sódio (∆Tw,e) foi menor do que 20 K. Este valor se manteve praticamente constante para toda a região de GB e até mesmo durante a operação na região Ideal (Figura 3-8). Por sua vez, logo após da explosão da bolha, o vapor, juntamente com uma certa quantidade de líquido, é propelido para regiões superiores do termossifão, aumentando e homogeneizando a temperatura da parede do condensador. Quando isso acontece, observa-se que a diferença entre a temperatura de vapor do termossifão e a média da parede do condensador (∆Tw,c) atinge valores menores do que 80 K, diminuindo gradualmente à medida que maiores fluxos de calor são inseridos no termossifão, até que estas diferença fiquem menores que 20 K, na região ideal (Figura 3-9).

Figura 3-7: Comparação do desempenho de cada um dos termossifões estudados. O ponto (2) das Figura 3-8 e Figura 3-9, mostram o momento que antecede a explosão de uma bolha geradora de GB (região de GB inferior). No evaporador, isto se manifesta por um aumento significativo de ∆Tw,e devido à secagem local da parede onde a bolha está sendo formada. A amplitude deste aumento de ∆Tw,e é altamente influenciado pela RE: o termossifão com 69% de RE teve um aumento aproximado de 20 K no valor de ∆Tw,e comparado à diferença de temperaturas observada

na região ideal. Já os termossifões com RE de 96% e 144% mostraram um aumento superior a 100 K (Figura 3-8). No condensador, há uma “falta de vapor” (pressões de vapor muito baixas) uma vez que este se encontra aprisionado no interior da bolha que está se formando no evaporador. Como o coeficiente de transferência de calor entre vapor da bolha e a parede é baixo, a diferença de temperaturas ∆Tw,c aumenta, uma vez que a parede do condensador é resfriada externamente. Este aumento de ∆Tw,c também é influenciado pela RE. Observa-se um aumento de aproximadamente 20 K para o termossifão com RE de 69% em relação ao comportamento observado na região ideal e de aproximadamente de 300 K para termossifões com RE de 96% e 144% . Em ambos os gráficos (Figura 3-8 e Figura 3-9), nota-se que a amplitude das oscilações de ∆Tw,e

e ∆Tw,c, devido ao efeito de GB, diminuem à medida que a taxa de calor imposto no evaporador aumenta. Consequentemente, a frequência do fenômeno de GB aumenta, como se observa nos gráficos do transiente de temperatura das Figura 3-3 a Figura 3-6. É importante destacar que o fenômeno de GB deixa de ser relevante quando a taxa de calor é suficientemente grande para que a operação do termossifão aconteça na região ideal.

Figura 3-8: Diferença entre a temperatura média da parede do evaporador e a temperatura do vapor em função da taxa de transferência de calor.

Figura 3-9: Diferença entre a temperatura de vapor e a temperatura média da parede do condensador em função da taxa de transferência de calor.

O ponto (3) da Figura 3-8 mostra o momento que o termossifão T8g com RE de 32% atinge o limite de secagem. Assim, mesmo que RE baixas favoreçam operação do termossifão com efeitos mínimos do fenômeno de GB, é importante considerar que existe uma relação entre a taxa de calor no qual o termossifão foi projetado para transportar e a quantidade mínima de fluido de trabalho no qual o dispositivo pode operar sem ocorrer a secagem no evaporador. Quando a taxa de calor fornecida no evaporador é maior que a projetada, grande parte do volume do fluido de trabalho pode se encontrar em estado de vapor. Nesse caso, não há piscina de líquido (ou a piscina é mínima), sendo o líquido evaporado ainda nas paredes do evaporador, durante o retorno. Desta forma, acontece a secagem da parede do evaporador, atingindo níveis de temperaturas que podem comprometer a integridade do dispositivo. A Figura 3-10 mostra os limites operacionais calculados de acordo com as equações apresentadas na Tabela 3-3. Observa-se que apenas o limite de secagem foi atingido para o termossifão T8g, concordando com os resultados observados experimentalmente. Isto mostra a grande importância de avaliar os limites operacionais na hora de realizar projetos com termossifões.

Figura 3-10: Análise dos limites operacionais nos termossifões testados A Figura 3-11a mostra a operação do termossifão T8g no momento em que ele atinge o limite de secagem. É possível observar um rubro mais intenso na região do evaporador, sugerindo temperaturas maiores do que da região do condensador. Isto é corroborado no transiente de temperatura da Figura 3-3, onde foram observadas temperaturas de aproximadamente 1550K e 700 K no evaporador e condensador, respectivamente. Assim, por motivos de segurança o teste para este termossifão foi interrompido quando a taxa de calor foi de aproximadamente 675 W, uma vez que o ponto de fusão do material do invólucro é de aproximadamente 1650 K.

A Figura 3-11b mostra uma imagem do evaporador no momento em que foi atingido o limite de secagem. Observa-se que algumas regiões do termossifão mantinham-se mais frias que outras. Esta variação na temperatura na direção circunferencial do tubo provavelmente se deve à formação de caminhos preferenciais de retorno do líquido, fenômeno que acontece durante a secagem do termossifão [32]. Contudo, o caminho preferencial no retorno do fluido foi altamente influenciado pela geometria do evaporador, devido ao esmagamento realizado no processo de fabricação para a selagem da extremidade. Isto pode ser observado na Figura 3-11c, onde se mostra a seção do evaporador cortada ao meio para melhor visualização da geometria.

a)

b)

c)

Figura 3-11: a) Termossifão T8g operando no limite de secagem. b) Evaporador do termossifão T8g durante o limite de secagem. c) Formato interno das paredes do evaporador.

3.3.2 Comparação entre os coeficientes de transferência de calor