Padrões de Escoamento

Escoamentos com distribuições espaciais similares das fases vapor e líquido são caracterizados através de padrões de escoamento, sendo suas definições importantes para uma correta identificação.

Conforme indicado por Thome (2008), parâmetros de desempenho de trocadores de calor como a perda de pressão e a diferença de temperatura entre os fluidos de trabalho são influenciadas pelo padrão de escoamento, portanto sua determinação é necessária para uma estimativa do coeficiente de transferência de calor e do gradiente de pressão em aplicações envolvendo evaporação e condensação.

Segundo Ishii e Hibiki (2006) a definição do padrão de escoamento é geralmente realizada com base na topologia da interface, tomando a fase dispersa como referência para a denominação do padrão. Uma classificação generalizada por ele proposta, baseada neste critério, segrega os escoamentos bifásicos da seguinte forma:

 Fases separadas: verificado em escoamentos em filme ou estratificado;  Fases dispersas: ocorre para escoamento em bolhas e em névoa;

 Escoamentos mistos ou transientes: combinação dos padrões de fases separadas e dispersas;

As Figs. 2.2 e 2.3 ilustram respectivamente os padrões de escoamento verticais e horizontais em condições de efeitos de transferência de calor desprezíveis. A descrição aqui apresentada é análoga à apresentada por Collier e Thome (1994).

Os padrões de escoamento verticais são caracterizados da seguinte forma:

 Bolhas: a fase líquida contínua apresenta bolhas isoladas com dimensões características inferiores ao diâmetro da tubulação. Este padrão é verificado para frações de vazio reduzidas e velocidades superficiais da fase líquida elevadas;

 Bolhas alongadas: no escoamento segundo bolhas alongadas, as bolhas da fase vapor apresentam diâmetro próximo ao diâmetro da tubulação, com a extremidade superior em forma esférica e a extremidade inferior tendendo ao formato plano. O vapor no interior das bolhas é separado da parede através de um filme de líquido de reduzida dimensão. O escoamento do líquido se dá através dos pistões entre bolhas de vapor

consecutivas, podendo ou não apresentar bolhas de vapor disperso, devido à esteira da bolha de vapor. O comprimento das bolhas de vapor pode variar consideravelmente;  Agitante: o padrão de escoamento agitante é resultado da quebra das bolhas de vapor

do padrão de escoamento segundo bolhas alongadas. O fluxo de vapor é caótico, enquanto que o fluxo da fase líquida é predominante próximo à parede da tubulação. O escoamento apresenta característica oscilatória, ou variável ao longo do tempo. Este padrão de escoamento também é referenciado como semianular ou bolhas alongadas- anular;

 Anular-névoa: caracterizado pelo escoamento de filme espesso com velocidade reduzida na periferia da seção transversal, com escoamento da fase vapor com alta velocidade no centro da seção, e devido ao arrasto apresenta quantidade significativa de gotículas de líquido disperso;

 Anular: para o escoamento segundo padrão anular, ocorre um filme de líquido junto à parede da tubulação, com um escoamento central contínuo de vapor. Ondas de grande amplitude podem ser presentes no filme de líquido, que propiciam o arrasto de líquido para o fluxo de vapor, através de gotículas dispersas. Diferencia-se do escoamento segundo anular-névoa devido ao fato de as gotículas de vapor ser distanciadas, e não aglomeradas como no caso anterior.

Adicionalmente aos padrões de escoamento verticais apresentados por Collier e Thome (1994), Thome (2008) apresenta o padrão de escoamento em névoa, caracterizado por gotículas de líquido dispersas em um fluxo de vapor com alta velocidade.

Figura 2.2 – Ilustração esquemática dos padrões de escoamento para tubulações verticais, Collier e Thome (1994).

Os padrões de escoamento horizontais apresentam um grau de assimetria superior aos escoamentos verticais devido à efeitos gravitacionais. Os escoamentos bifásicos horizontais são descritos da seguinte forma:

 Bolhas: semelhante ao verificado para o padrão de escoamento segundo bolhas vertical, no entanto, as bolhas de vapor se concentram na região superior da seção;  Pistonado: semelhante ao padrão de escoamento vertical segundo bolhas alongadas,

porém as bolhas se concentram na região superior devido a efeitos de empuxo;

 Estratificado: verificado para velocidades reduzidas das fases líquida e vapor. É caracterizado pelo escoamento das fases separadas por uma interface praticamente sem ondulações e não ocorre para escoamentos verticais;

 Estratificado ondulado: com o incremento da velocidade da fase vapor, a interface passa a ser perturbada com a presença de ondas deslocando-se na direção do escoamento;

 Bolhas alongadas: com o incremento da velocidade da fase vapor, as ondas interfaciais crescem, fechando intermitentemente a seção transversal, formando um pistão de líquido que se propaga com velocidade elevada. Apresenta filme residual de líquido na região superior do tubo, que é drenado pelo escoamento da fase vapor;

 Anular: semelhante ao observado para escoamentos verticais segundo anular, porém a espessura do filme na região inferior é mais elevada devido à efeitos gravitacionais.

O escoamento segundo padrão agitante, conforme definido neste texto, também é observado para escoamentos horizontais, conforme apresentado por Sempertégui Tapia (2011).

Adicionalmente aos padrões de escoamento descritos, Wojtan et al. (2005) apresenta o padrão de escoamento secagem de parede, correspondente a região de transição entre padrão de escoamento anular e em névoa, com secagem parcial do filme de líquido ao longo do perímetro.

Vale destacar que em condições de ebulição convectiva, conforme ilustrado na Fig. 2.4, e condensação estes padrões surgem progressivamente com a variação do título de vapor.

Figura 2.4 – Evolução dos padrões de escoamento ao longo da seção, durante a ebulição convectiva em escoamento vertical, Thome (2008).

Para o caso de escoamento bifásico no interior de tubos com fitas retorcidas, não foi verificado na literatura descrições de padrões para tais condições.