Seção de testes

A seção de testes compreende a seção de acalmamento, as seções de visualização, e de testes propriamente dito.

As seções de testes e acalmamento correspondem a tubos horizontais de cobre com diâmetro interno nominal de 5/8” (15,9 mm), parede com espessura de 1/8” (3,2 mm), e

Foram instalados termopares na entrada da seção de estabilização e a jusante da segunda seção de visualização, utilizando bulbo de cobre de 3,0 mm de diâmetro externo, para estimativa das propriedades termodinâmicas do fluido próximo ao centro da tubulação, conforme apresentado esquematicamente na Fig. 4.3.

Figura 4.3 – Esquema de bulbo para medição de temperatura do fluido.

Transdutores de pressão absoluta, do modelo AKS-33 da Danfoss foram instalados, nas entradas das seções de estabilização de testes.

A elevada espessura do tubo (3,175 mm) foi especificada com o objetivo de permitir a usinagem de microcanais em sua parede de forma a instalar os termopares a 0,5 mm da superfície interna do tubo. A usinagem foi realizada utilizando fresadora de topo com o tubo fixado em barramento de torno universal. Os objetivos da utilização dos microcanais para a fixação dos termopares são a minimização da resistência térmica entre o sensor e a superfície do tubo, e reduzir efeitos de não uniformidade do fluxo de calor nas regiões de medida da temperatura. Os termopares foram fixados e os canais foram preenchidos utilizando cimento térmico de alta condutividade, de modo a reduzir a resistência térmica de contato.

No presente estudo os termopares da superfície de testes foram utilizados apenas para a determinação do coeficiente de troca de calor durante ensaios diabáticos monofásicos, e da troca de calor entre o fluido de trabalho na seção de testes e o ambiente. Entretanto vale ressaltar que a bancada encontra-se capacitada para o estudo do coeficiente de transferência de calor durante a ebulição convectiva no interior de tubos com e sem dispositivos de intensificação.

Na seção de testes foi instalado um total de 16 termopares, igualmente distribuídos em quatro seções transversais. A primeira seção de medida encontra-se posicionada a 460 mm do início da seção de testes, e as seções seguintes distanciam-se de 460 mm, conforme ilustrado

na Fig. 4.4. Em cada seção os termopares foram distribuídos distanciados de 90°, conforme indicado na Fig. 4.5. A utilização de quatro termopares em cada seção tem como objetivo a estimativa do coeficiente de troca médio na seção, validar as medidas através da comparação entre os resultados fornecidos nas laterais e investigar diferenças locais no coeficiente de troca de calor ao longo do perímetro da seção de testes, relacionadas a efeitos de estratificação do escoamento.

Figura 4.4 – Esquema da distribuição das seções de termopares na seção de testes.

Figura 4.5 – Distribuição dos termopares para cada seção transversal de medida termopares.

No aquecimento da seção de testes foram utilizadas 5 resistências elétricas com potência nominal de 624 W cada uma, fabricadas pela Amptek, modelos AWH-052-080D - Duo-Tape, possuindo largura de 12 mm, e comprimento de 2400 mm. Estas resistências são alimentadas por um variador de tensão (VARIAC) com potência máxima de 3kW/220V.

A potência elétrica fornecida é determinada através de transdutores de potência ativa, modelo 2285A da Yokogawa. Este sistema de aquecimento permite obter fluxos de calor de até 30 kW/m².

Para reduzir as trocas de calor com o ambiente externo, a seção de testes é isolada termicamente com três camadas de fibra cerâmica com densidade de 64 kg/m³ e espessura nominal de 50 mm, recoberta com uma camada de espuma de borracha da marca Armaflex, com espessura de 25 mm.

Foram instaladas duas seções de visualização, uma a montante e outra a jusante da seção de testes, com comprimentos aproximados de 140 e 210 mm, respectivamente. As seções de visualização são de vidro boro silicato com diâmetro interno de 16,4 mm, e parede com espessura de 1,8 mm. A Fig. 4.5 apresenta a seção de visualização a jusante da seção de testes.

Figura 4.6 – Seção de visualização na saída da seção de testes.

A montante da primeira seção de visualização há uma região isotérmica de estabilização do escoamento, construída com a mesma tubulação da seção de testes e comprimento de 1400 mm, correspondente a aproximadamente 88 diâmetros. A seção de estabilização é isolada termicamente junto com o pré-aquecedor.

A jusante da segunda seção de visualização foi inserida uma junta de união, possibilitando a troca da fita a partir deste ponto.

A fita retorcida utilizada é em alumínio com espessura de 1,0 mm, e ajuste folgado com a tubulação de cobre, sendo que a fita é apoiada na extremidade em contato com a junta de união, não permitindo a movimentação da mesma. Adicionalmente devido ao processo de fabricação do tubo, o diâmetro interno não é uniforme, e a fita apresenta interferência em determinadas regiões do tubo.

Lopina e Bergles (1973) e Watanabe et al. (1983), utilizaram ajuste interferente entre a fita e o tubo, obtido por meio da deformação dos tubos, procedimento este inviável para o caso de utilização de tubos com paredes grossas. Além disso, seguindo este procedimento, a substituição de fitas em um único tubo não é possível e a mudança da razão de retorcimento exige a troca de ambos. E conforme apresentado, a utilização de parede espessa possibilita a redução da influência de não uniformidades no fluxo de calor na região de medição da temperatura. As características das fitas para cada razão de retorcimento são apresentadas na Tab. 4.1.

Tabela 4.1 – Características das fitas retorcidas. Razão de retorcimento Largura [mm] Folga nominal [mm]

3 15,2 0,675

4 15,4 0,475

9 15,1 0,775

14 15,3 0,575

No presente trabalho, foi adotado para a torção das fitas procedimento similar ao utilizado por Lopina e Bergles (1969). As fitas com comprimento de 2,0 metros foram fixadas em suas extremidades superiores em um suporte, e em suas extremidades inferiores foi fixado um peso aproximado de 30 kg, a partir do qual a fita em balanço era manualmente torcida.

Devido ao comprimento da chapa de alumínio ser de 2,0 metros, as fitas foram inicialmente torcidas e posteriormente soldadas, de modo que o comprimento total compreendesse as seções de visualização, de testes e estabilização.

A Fig. 4.7 apresenta segmentos das fitas utilizadas durante os experimentos correspondentes a razões de retorcimento de 3, 4, 9 e 14.

Figura 4.7 – Registro fotográfico das fitas retorcidas utilizadas nos experimentos, com razões de retorcimento de 3, 4, 9 e 14 de cima para baixo.