O fenômeno de envelhecimento da superfície se caracteriza pela variação com o tempo do coeficiente de transferência de calor entre a superfície aquecida e o fluido durante a ebulição. Joudi e James (1981) consideraram o envelhecimento da superfície: o reflexo na inconsistência e na dispersão dos dados experimentais causado pelo “tempo de uso”.
Dhir (2003), em um trabalho apontando suas perspectivas para o futuro das pesquisas em ebulição, ressalta a importância da interação fluido-material da superfície aquecida no fenômeno de ebulição nucleada e destaca dentre seis aspectos que merecem atenção nas futuras pesquisas do fenômeno, o envelhecimento da superfície aquecida.
Zhou et al. (2004) expôs que a transferência de calor em ebulição nucleada é visivelmente afetada pelas condições da superfície aquecida como sua rugosidade, molhabilidade, limpeza e envelhecimento, sendo o envelhecimento particularmente importante em líquidos com alta molhabilidade. Zhou et al. (2004) realizou testes experimentais de ebulição com jatos submersos em uma lâmina de constantan, empregando como fluido de trabalho tanto L12378 quanto R-113, e percebeu um aumento na troca de calor com o passar do tempo, enquanto a superfície era imersa e exposta à ebulição. O efeito de aumento da troca de calor com o tempo de imersão da superfície pode ser visto na Figura 2.3, onde são mostradas duas curvas de ebulição, uma com o tempo de imersão da superfície de 1 hora e outra de 10 horas. O autor frisou que seus dados experimentais apresentaram boa reprodutibilidade.
Figura 2.3 – Efeito do envelhecimento da superfície na ebulição com jatos submersos (Zhou et al. - 2004)
Stelute (2004) analisou vários trabalhos a respeito do efeito de envelhecimento em superfícies submetidas à ebulição por longos períodos de tempo.
Chaudhri e McDougall (1969), apud Stelute (2004), relataram que as possíveis causas do envelhecimento em superfícies são:
Variações instantâneas na atividade de cavidades, canais e outros pequenos locais secos na superfície;
Deposição de sujeira na superfície; Corrosão da superfície;
Flutuações de temperatura durante a ebulição; Expulsão gradual de gases dissolvidos no líquido;
Liberação de gases “aprisionados” na superfície aquecida. Chaudhri e McDougall (1969), apud Stelute (2004), testaram superfícies de cobre, aço e aço inoxidável com percloroetileno e acetato isopropílico como fluidos de trabalho. Para a combinação
cobre/percloroetileno, observou-se um aumento no coeficiente de transferência de calor com o tempo; tal aumento foi nomeado pelos autores como envelhecimento reverso. As demais combinações superfície/fluido apresentaram redução na transferência de calor. O envelhecimento da superfície ocorre em duas etapas: de curto prazo, causada pela perda de gás dissolvido no líquido ou aprisionado nas cavidades da superfície reduzindo a atividade de nucleação, e a de longo prazo, caracterizada por uma grande queda no fluxo de calor devido à redução da atividade das cavidades ativas restantes, possivelmente pela condensação do vapor aprisionado na superfície através de variações locais na temperatura ou através da formação de depósitos. A combinação superfície/fluido determina a ocorrência de envelhecimento ou envelhecimento reverso, bem como sua intensidade. Os autores verificaram uma redução de até 50% do coeficiente de transferência de calor causadas pelo envelhecimento da superfície, e aumento de até 80% causado pelo envelhecimento reverso.
Holland e Winterton (1973), apud Stelute (2004), desenvolveram um modelo para a difusão de gás inerte possivelmente presentes nas cavidades da superfície. O modelo considera a difusão pura de gás ideal de uma cavidade de volume constante para um meio semi-infinito de líquido. O superaquecimento necessário para a ativação da cavidade preenchida com líquido com gás inerte dissolvido pode ser dada pela Equação [2.1]: [2.1] Onde:
= área do menisco da cavidade; = constante dos gases ideais; = constante da lei de Henry;
D = difusividade do gás inerte no vapor; = raio da cavidade;
= tensão superficial do líquido em ebulição; = entalpia de vaporização.
A parcela negativa da equação representa a pressão parcial do gás inerte dissolvido no líquido e indica a contribuição deste gás para o abaixamento do superaquecimento necessário para a ativação da
cavidade. À medida que o gás se difunde para fora da cavidade, sua pressão parcial decresce assintoticamente a zero, dificultando a ativação da cavidade. O aumento do superaquecimento necessário para a ativação dos sítios de nucleação com o tempo pode ser interpretado como um processo de envelhecimento da superfície, gerando uma redução no coeficiente de transferência de calor por ebulição com o tempo.
Envelhecimento da superfície causado pela presença de um fluido inerte também foi relatado por Sterman e Vilemas (1968), apud Stelute (2004). Em seu trabalho, verificou-se a diminuição do coeficiente de transferência de calor com o tempo, durante a ebulição de água em uma superfície de aço inoxidável. O envelhecimento foi explicado pelos autores, pela presença de benzol, empregado em testes anteriores na mesma superfície. O benzol previamente alojado em micro-ranhuras se superaqueceu, ativando as cavidades de maneira mais rápida do que aconteceria em testes onde somente a água fosse empregada. Com o tempo, o benzol foi sendo evaporado e a transferência de calor reduziu sua eficiência, voltando para o patamar de ebulição nucleada da água pura.
Stelute (2004) estudou o efeito do envelhecimento da superfície na ebulição nucleada de R-134a e R-123 em tubos horizontais de latão, cobre e aço inoxidável. O autor identificou a ocorrência de envelhecimento na superfície de cobre de baixa rugosidade e apontou a possível causa deste envelhecimento como sendo a remoção contínua de material da superfície através do arraste de pequenas porções do material pelas bolhas. Os pontos mais frágeis como pequenas saliências poderiam se soltar com a ocorrência da ebulição. Em superfícies de cobre de alta rugosidade, o efeito de envelhecimento não seria tão intenso, pois a remoção do material ocorreria sem que houvesse alteração na densidade de cavidades ativas da superfície. A superfície de aço inoxidável não apresentou o efeito de envelhecimento, podendo ser explicado pela alta dureza e resistência mecânica e na superfície de latão, de dureza e resistência mecânica intermediária, ocorreu um envelhecimento intermediário.
Na Figura 2.4 são mostrados os dados de ebulição de R-134a em superfície de cobre de baixa rugosidade, para diferentes tempos de exposição da superfície à ebulição (Stelute, 2004).
Figura 2.4 - Envelhecimento da Superfície (Stelute, 2004)