CONTRIBUIÇÕES E RECOMENDAÇÕES

Na presente tese de doutorado, foi realizado um estudo teórico e experimental de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho, onde forma estudados os principais parâmetros que influenciam o seu desempenho, visando a industrialização da tecnologia de maneira a dar subsídios confiáveis e seguros ao projetista deste tipo de dispositivo. Entre os parâmetros com grande influência na operação e desempenho de termossifões bifásicos está a razão de enchimento (RE), definida como a fração volumétrica do evaporador do termossifão que é preenchida pelo fluido de trabalho.

Foi realizado um estudo do efeito da quantidade de sódio no termossifão no início de operação e nas diferenças de temperatura entre parede do evaporador e o vapor. Além disso, foram estudados outros fenômenos observados neste tipo de dispositivo, como o fenômeno de Geyser Boiling (GB), o qual, na realidade, representa uma instabilidade do processo de ebulição em piscina que gera grandes oscilações na temperatura do evaporador e condensador, assim como grandes diferenças de temperaturas entre parede do evaporador e o vapor, durante o processo de formação de bolhas. Outro fenômeno estudado é da ponta fria, caracterizado por um alto gradiente de temperatura ao longo do condensador, devido ao escoamento de vapor no regime molecular. Foi desenvolvido um processo de fabricação que permite carregamentos de termossifões de sódio com segurança e sem impurezas, visando a industrialização destes dispositivos. Finalmente, foram propostos modelos para avaliar os diferentes regimes de operação de termossifões bifásicos e correlações baseadas em dados experimentais para os coeficientes de transferência de calor no evaporador e no condensador. A seguir são apresentadas as principais conclusões e contribuições obtidas em cada um dos estudos realizados.

6.1 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 2

No Capítulo 2, um dispositivo de carregamento foi desenvolvido e testado, adotando-se cinco diferentes procedimentos de carregamento. Em todos os procedimentos adotados, focou-se principalmente nos aspectos de segurança do operador, aplicabilidade em nível industrial, custo de implementação, redução da contaminação do sódio, e finalmente, o desempenho do dispositivo. Os procedimentos de carregamentos estudados foram: carregamento em estado sólido e ambiente não

controlado (C1), carregamento em estado líquido em ambiente não controlado (C2), carregamento em estado sólido em ambiente controlado (C3), carregamento em estado líquido em ambiente controlado (C4) e carregamento em estado líquido em ambiente não controlado com um sistema de purga de GNC (IT).

O termossifão IT foi o que apresentou o melhor desempenho entre todos os termossifões estudados, servindo como um termossifão de referência em nível laboratorial. Desta forma, todos os experimentos realizados nesta tese foram realizados através do processo ideal de carregamento (IT).

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.

Além disso, mostrou-se 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 estudados quatro processos de fechamento onde o processo de fechamento 4 foi o que apresentou a menor perda de vácuo de todos os processos testados. Neste processo de fechamento se realizam dois esmagamentos em série (lado a lado) para aumentar a área de contato, e mais um esmagamento acima da área esmagada previamente, a qual é mantida na hora de realizar a soldagem (TIG). Mesmo que este processo de fechamento foi o melhor dos estudados, 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.

Assim, a principal contribuição do Capítulo 2 é o desenvolvimento de um dispositivo de carregamento de termossifões operando com sódio o qual se apresenta como uma boa alternativa na fabricação deste tipo de dispositivo 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.

6.2 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 3

No Capítulo 3, foi realizado um estudo experimental da influência da razão de enchimento (RE) em fenômenos como o Geyser Boiling, secagem do termossifão, fenômeno de ponta fria, superaquecimento de parede do evaporador e desempenho do termossifão. Além disso, foi proposta uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na ebulição em piscina e uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na condensação que se ajustam aos dados experimentais obtidos neste trabalho.

Para este estudo foram testados quatro termossifões com diferentes RE: 32%, 69%, 96% e 144%. Em todos os casos foi observado que os termossifões apresentaram três regiões de operação: região de aleta, região de GB e região ideal. Observou-se também que os termossifões com menores RE tem desempenhos melhores na região de aleta e região de GB inferior. No entanto, não é desejável que os termossifões operem nestas regiões, porque apresentam coeficientes de transferência de calor menores que na região ideal, além de apresentar vibrações indesejáveis, como na região GB. Todos os termossifões testados (com exceção do 32% de RE, que secou), independentemente da RE, apresentaram o mesmo desempenho na região ideal e na região de GB superior. Constatou-se também que, quanto menor a RE, menor é o tempo necessário para o início de operação. Além disso, termossifões com baixos RE possuem temperaturas de início de operação menores. As oscilações da temperatura no evaporador e condensador devido ao fenômeno GB são altamente intensificadas com o aumento da RE, gerando altos níveis de vibrações, que podem comprometer a integridade do dispositivo. Por outro lado, RE muito baixas podem favorecer a secagem do termossifão como aconteceu no termossifão com RE de 32%, o qual atingiu o limite de secagem. Assim, é possível sugerir a existência de uma RE ótima que permita a operação sem GB e, ao mesmo tempo, sem a presença de secagem no evaporador. Nesse contexto, sugere-se uma RE próxima de 69%, uma vez que foi a que apresentou menor influência do GB e conseguiu atingir níveis de calor iguais que os outros termossifões sem atingir o limite de secagem.

Visando a industrialização da tecnologia e o projeto cada vez mais confiáveis deste tipo de dispositivo, foram desenvolvidas duas correlações para determinar o coeficiente de transferência de calor no evaporado e condensador que levam em consideração o efeito do gradiente de temperatura gerado pela falha no contínuo no condensador, e o efeito de GB. O modelo proposto para o coeficiente de transferência de calor no evaporador apresentado na equação (3-25) apresentou melhor concordância com os dados experimentais na região ideal, com apenas

10% de erro máximo. Na região de GB, a dispersão é maior por se tratar de um fenômeno que possui um considerável nível de aleatoriedade, com erro máximo de 40%. Finalmente, na região de aleta, o erro da correlação proposta foi de 20%. O modelo proposto para o coeficiente de transferência de calor no condensador apresentado na equação (3-32) apresentou maior concordância na região ideal do termossifão, com apenas 10% de erro máximo. Na região de GB, os erros do modelo proposto para o condensador foram de aproximadamente 80%, mostrando-se maior os observados no evaporador na mesma região (40%). Finalmente, na região de aleta, o erro da correlação proposta é de 20%.

Um termossifão com sódio, quando entra em operação a partir da temperatura ambiente, atravessa as duas primeiras regiões, ou seja, aleta e GB, para depois operar na região ideal, que é livre de vibrações e com maiores coeficientes de transferência de calor. No caso específico de CSP, que tem carga variável, o termossifão mal dimensionado poderia eventualmente sair da região ideal voltando para a região de GB ou mesmo para aleta. Há, portanto, necessidade de um modelo que permita determinar as taxas de transferência de calor onde se observa a transição entre as regiões de operação. Assim, a principal contribuição do Capítulo 3 é a proposta dos modelos representados nas equações (3-25) e (3-32), que conseguem determinar com bastante precisão os coeficientes de transferência de calor no evaporador e condensador nos três regimes de operação de termossifões bifásicos com sódio.

6.3 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 4

No Capítulo 4, foi realizado um estudo detalhado do fenômeno GB em termossifões operando com sódio como fluido de trabalho. Este fenômeno é altamente indesejado devido principalmente à alta vibração gerada no termossifão, que pode levar a falhas estruturais no equipamento ou no próprio termossifão, promovendo vazamentos com grande potencial de explosão devido à reação que existe entre sódio-água ou com o próprio ar atmosférico.

Para este estudo foram testados três termossifões com diferentes RE: 69%, 96% e 144%. Em todos os casos que o fenômeno de GB foi intensificado com o aumento da razão de enchimento. Observou-se que o termossifão com 69% de razão de enchimento teve um aumento aproximado de 20 K na diferença de temperaturas entre a parede e o vapor no evaporador, em relação ao comportamento observado na região ideal.

Já os termossifões com 96% e 144% de razão de enchimento mostraram aumento nesta diferença de temperatura maiores que 100 K. Além disso, a amplitude da oscilação da temperatura de superaquecimento de todos os termossifões devido ao efeito de GB diminui à medida que se aumenta o fluxo de calor imposto no evaporador, até chegar numa região de operação (região ideal) onde este efeito não é mais relevante.

Observou-se ainda que é possível o termossifão operar na região ideal sem ter que passar pela região de GB. Para isto, é necessário estimar os valores mínimos de taxa de transferência de calor necessários para entrar e sair da região de GB. Esta constatação foi feita experimentalmente, aumentando-se a taxa de transferência de calor de 500 W para 1000 W, onde uma única vibração foi observada. Este fato demostra a importância de se contar com modelos que consigam determinar as taxas de transferência de calor onde ocorrem as transições entre as regiões de funcionamento.

A principal contribuição do Capítulo 4 é a proposta de dois modelos matemáticos para estimar as taxas de transferência de calor para entrar e sair da região de GB, representados pelas equações (4-21) e (4-29), respectivamente. Experimentalmente, observou-se que, para taxas de calor menores à previstas pela equação (4-21), nenhum termossifão apresentou GB, enquanto que, para taxas de calor maiores à prevista pela equação (4-21), em todos os casos estudados, observou-se o fenômeno de GB. Também foi observado que, para taxas de calor menores às previstas pela equação (4-29), todos os termossifões apresentaram GB, enquanto que, para taxas de calor maiores às prevista pela equaçãos (4-29), em todos os casos observou-se um comportamento sem GB. Com isso, conclui-se que as equações (4-21) e (4-29) podem ser utilizadas como limites inferior e superior da região de Geyser Boiling em termossifões operando com sódio como fluido de trabalho.

6.4 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 5

No Capítulo 5, foi realizado um estudo detalhado do fenômeno de ponta fria em termossifões operando com sódio como fluido de trabalho. O fenômeno de ponta fria é um sinal de uma falha de projeto, que pode gerar estresses térmicos significativos nas paredes do tubo de calor, afetando a vida útil do dispositivo e promovendo possíveis vazamentos, que em termossifões operando com sódio como fluido de trabalho pode resultar em a danos físicos ao dispositivo e em risco na segurança dos operários.

Para este estudo foram testados quatro termossifões com diferentes RE: 32%, 69%, 96% e 144%. Primeiramente foi definido o limite de startup como o fluxo de calor mínimo necessário para iniciar a operação de um termossifão bifásico, isto é, quando um termossifão deixa de se comportar como um tubo vazio e começa a se comportar como supercondutor de calor. Definiu-se também o limite do contínuo ao fluxo de calor mínimo necessário para fazer com que o regime de escoamento, em todo o termossifão, seja contínuo. Finalmente considerou-se que um termossifão opera em regime de aleta quando a taxa de calor transferido pelo termossifão é maior que o limite de startup e menor que o limite do contínuo

A principal contribuição do Capítulo 5 é a proposta de três modelos matemáticos que permitem determinar o limite de startup previsto pela equação (5-15), o limite do contínuo previsto pela equação (5-17) e perfil de temperatura ao longo do condensador dos termossifões previsto pela equação (5-33). Os resultados obtidos mostram que quando a taxas de calor transferida pelos termossifões foi menor que o limite de startup, nenhum termossifão entrou em operação; já para taxas de calor maiores que o limite de startup, em todos os casos estudados, os termossifões entraram em operação, o que foi evidenciado experimentalmente pelo aumento súbito na taxa de transferência de calor. Quando as taxas de calor transferida pelos termossfiões foram menores que as previstas pela limite do contínuo, todos os termossifões operaram no regime de aleta; já para taxas de calor maiores que as previstas limite do contínuo, todos os termossifões operaram no regime de escoamento contínuo do vapor. Desta forma pôde-se concluir que as equações (5-15) e (5-17) apresentam-se como boas ferramentas para a determinação dos limites de startup e contínuo. Finalmente o modelo proposto para determinar o perfil de temperaturas ao longo do condensador do termossifão de sódio durante a operação no regime de aleta, apresentou diferenças com os dados experimentais menores que 20%. Assim, os resultados obtidos com o modelo proposto podem ser utilizados como dados de entrada na análise de falhas estruturais resultantes de estresse térmico. Desta forma, pode-se garantir que os termossifões operando com sódio como fluido de trabalho apresentem comportamentos controlados, principalmente durante o início de operação, quando maiores gradientes são observados.

6.5 RECOMENDAÇÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Para a aplicação industrial deste tipo de tecnologia, é necessário o conhecimento dos principais parâmetros que influenciam o seu desempenho, ou seja, necessita-se de modelos matemáticos que permitam predizer o comportamento dos termossifões bifásicos, de maneira que projetos de engenharia envolvendo este tipo de dispositivo operando com sódio como fluido de trabalho sejam confiáveis e seguros. Como sugestão para trabalhos futuros os seguintes tópicos são recomendados:

 Desenvolver um processo de fechamento de termossifões que consiga assegurar qualidade igual ou superior ao obtido no termossifão TI, visando a aplicação industrial.

 Realizar estudo de termossifões com a presença de gases não condensáveis que não reajam com o sódio, visando a diminuição do fenômeno de GB.

 Realizar estudo de termossifões com diferentes diâmetros com o objetivo de verificar se o aumento do diâmetro interno do termossifão permite a redução e/ou eliminação do fenômeno de GB.

 Realizar um estudo com superfícies melhoradas (ranhuras ou meio poroso) com o objetivo de verificar se o aumento do diâmetro interno do termossifão permite a redução e/ou eliminação do fenômeno de GB.