TRANSFERÊNCIA DE CALOR NA EBULIÇÃO

As vazões específicas do líquido Gf e do vapor, Gv, são calculadas como se cada um ocupasse toda a área de escoamento. A Equação (C.20) correlaciona os dados experimentais dentro de uma faixa de 50% quando:

000 . 20 Re = > v v G d

C.2- TRANSFERÊNCIA DE CALOR NA EBULIÇÃO

Quando uma superfície exposta a um líquido, é mantida a uma temperatura maior que a de saturação desse líquido, pode ocorrer a ebulição e o fluxo de calor dependerá da diferença entre as temperaturas da superfície e a de saturação. Quando uma superfície aquecida é imersa abaixo da superfície livre do líquido, o processo é conhecido como ebulição em piscina. Se a temperatura do líquido for menor que a temperatura de saturação, o processo é conhecido como ebulição sub-resfriada ou local. Se o líquido for mantido à temperatura de saturação, o processo é conhecido como ebulição saturada ou de mistura.

Os diferentes regimes de ebulição são indicados na Figura C.1, onde estão representados os coeficientes de transferência de calor de um fio de platina aquecido eletricamente e imerso em água em função do excesso de temperatura (Tp – Tsat ).

Na região I as correntes de convecção natural são responsáveis pelo movimento do fluido junto à superfície. Nesta região, o líquido próximo da superfície de aquecimento é ligeiramente superaquecido, subindo até a superfície livre do líquido onde ocorre a evaporação.

Na região II tem início o aparecimento de bolhas junto à superfície do fio, as quais se condensam (colapsam) no líquido depois de se desprenderem da superfície. Essa região caracteriza o início da ebulição nucleada. À medida que o excesso de temperatura aumenta, as bolhas são formadas mais rapidamente, elevando-se até a superfície do líquido onde se dissipam. Isto é representado pela região III. A região IV é a região de ebulição em película onde a formação de bolhas é tão rápida que elas se coalescem antes de se desprenderem. Com isto, uma grande parte da superfície aquecida fica coberta por uma película instável de vapor. Esta película aumenta a resistência térmica, reduzindo o fluxo de calor, sendo que o calor transferido diminui com o aumento da diferença de temperatura. Esta região instável representa a transição da ebulição nucleada para ebulição com película.

Na região V a superfície de aquecimento é coberta por uma camada estável de vapor. As temperaturas superficiais necessárias para manter a ebulição em película estável são elevadas e, uma vez atingida esta condição uma porção significativa do calor perdido pela superfície pode ser resultante da radiação térmica, como indicado na região VI.

Na ebulição nucleada, as bolhas são criadas pela expansão do gás ou do vapor aprisionado em pequenas cavidades na superfície. As bolhas crescem até um determinado tamanho, dependendo da tensão superficial da interface líquido-vapor, da temperatura e da pressão. Dependendo do excesso de temperatura, as bolhas podem entrar em colapso na superfície do fio, expandir-se e desprender-se da superfície do fio, condensando-se a seguir ou, ainda, para temperaturas suficientemente elevadas, as bolhas podem atingir a superfície livre do líquido.

Figura C.1: Curva de ebulição para um fio de platina aquecido eletricamente, de Farber e Scorah.

Para condições de ebulição local, o mecanismo responsável pela transferência de calor é a intensa agitação junto à superfície de aquecimento que promove as taxas elevadas de transferência de calor observadas na ebulição. Na ebulição saturada as bolhas podem se desprender da superfície de aquecimento devido à ação da força de empuxo e se movimentar no interior do corpo do líquido. Neste caso a taxa de transferência de calor é influenciada tanto pela agitação causada pelas bolhas quanto pela energia transportada pelo vapor no interior do líquido.

Resultados experimentais mostram que as bolhas nem sempre estão em equilíbrio termodinâmico com o líquido envolvente, isto é, o vapor no interior da bolha não se encontra necessariamente à mesma temperatura do líquido. Considerando-se uma bolha esférica, as forças de pressão do líquido e do vapor devem ser contrabalançadas pela força devida à tensão superficial na interface líquido-vapor. A força de pressão age sobre uma área igual a πr² e a tensão superficial age sobre o comprimento da interface, igual a 2πr. O equilíbrio de forças é portanto

(

)

onde pr = pressão de vapor no interior da bolha pl = pressão do líquido

s = tensão superficial da interface líquido-vapor

O processo de crescimento de bolhas é complexo, porém pode ser fornecida uma explicação qualitativa simples do mecanismo físico. O crescimento de bolhas ocorre quando o calor é conduzido do líquido para a interface líquido-vapor. Ocorre então a evaporação na interface, aumentando desta forma o volume total do vapor. Admitindo que a pressão do líquido permaneça constante, pela Equação (C.21a), a pressão no interior da bolha deve diminuir.

A redução da pressão no interior da bolha causa uma redução na temperatura do vapor e uma maior diferença de temperatura entre o líquido e o vapor, se a bolha permanecer na mesma posição espacial. Entretanto, é provável que a bolha se desprenda da superfície de aquecimento e, a medida que se eleve no interior do líquido, encontre temperaturas cada vez mais baixas. Como a bolha se movimenta para uma região onde a temperatura do líquido é menor que a do vapor, o calor será conduzido para fora da bolha que terminará por entrar em colapso.

Por esta razão o processo de crescimento de bolhas pode atingir o equilíbrio em alguma posição no líquido, ou se o líquido estiver suficientemente superaquecido, as bolhas poderão se elevar até a superfície livre antes de serem dissipadas.

Existe uma controvérsia considerável sobre como exatamente as bolhas se formam na superfície aquecida. As condições da superfície (rugosidade e tipo de material) certamente são os fatores mais importantes que influem no processo de formação e crescimento de bolhas.

Rohsenow propôs a seguinte correlação empírica para a ebulição em piscina:

33 , 0 ) ( / Pr __      − = ∆ v l c lv i sf s l lv x l g g h A q C h T C ρ ρ σ µ (C.22)

Onde: Cl = calor específico do líquido saturado, J/kg . °C ∆tx = excesso de temperatura = Tp – Tsat, °C hlv = entalpia de vaporização, J/kg

Prl = número de Prandtl do líquido saturado

q/A = fluxo de calor por unidade de área, W/m² . °C µl = viscosidade dinâmica do líquido, kg/m . s

s = tensão superficial da interface líquido-vapor, kg/m . s g = aceleração gravitacional, m/s²

ρl = densidade do líquido saturado, kg/m³ ρv = densidade do vapor saturado, kg/m³