Bruno Silva Emerick
D
ESENVOLVIMENTO DE PLATAFORMA AUTÔNOMA PARA
EXPERIMENTAÇÃO DO FENÔMENO DE EBULIÇÃO EM PISCINA
Dissertação submetida ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau
de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Alexandre Kupka da Silva, Ph.D.
Coorientador: Prof. Kleber Vieira de Paiva, Dr.Eng.
Florianópolis, Brasil
2019
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Silva Emerick, Bruno
Desenvolvimento de plataforma autônoma para
experimentação do fenômeno de ebulição em piscina / Bruno Silva Emerick ; orientador, Alexandre Kupka da Silva , coorientador, Kleber Vieira de Paiva , 2019.
101 p.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019.
Inclui referências.
1. Engenharia Mecânica. 2. Transferência de calor . 3. Ebulição em piscina . 4. Nanofluidos . 5. Microgravidade . I. Kupka da Silva , Alexandre . II. Vieira de Paiva , Kleber . III. Universidade Federal de Santa Catarina.
Bruno Silva Emerick
D
ESENVOLVIMENTO DE PLATAFORMA AUTÔNOMA PARA
EXPERIMENTAÇÃO DO FENÔMENO DE EBULIÇÃO EM PISCINA
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Kleber Vieira de Paiva, Dr.Eng.
Coorientador
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Leonardo Kessler Slongo, Dr.Eng.
SENAI - SC
Prof. Eduardo Augusto Bezerra, Ph.D.
Universidade Federal de Santa Catarina / EEL
Prof. Saulo Güths, Dr.Eng.
Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica pelo Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Prof. Jonny Carlos da Silva, Dr.Eng.
Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Alexandre Kupka da Silva, Ph.D.
Orientador — Presidente
Universidade Federal de Santa Catarina
Florianópolis, 11 de Junho de 2019
Alexandre Kupka da
Silva:00019018932
Assinado de forma digital por Alexandre Kupka da
Silva:00019018932
Dados: 2019.08.21 11:23:21 -03'00'
Assinado de forma digital por Jonny
Carlos da Silva:51451506449
A
GRADECIMENTOS
Foram dois anos de imensas provações, em uma cidade desconhecida, passando por uma nova fase da vida acadêmica em que qualquer erro poderia ser fatal. Não seria possível a finalização deste trabalho sem o auxílio de diversas pessoas, por isso já, de antemão, as agradeço imensamente.
Primeiramente, gostaria de agradecer a Deus, que em sua imensa plenitude tem me agraciado com suas bençãos. Sem Deus eu nada seria! Ter passado por crises pessoais me tornou uma pessoa melhor, mas só com o auxílio divino pude atravessar cada obstáculo.
Gostaria de agradecer também ao meu orientador, Prof. Alexandre Kupka, pelas sugestões, pela liberdade dada para trabalhar no projeto e pelas contribuições em momentos cruciais. Gostaria de agradecer ao Prof. Kleber Paiva pela coorientação e sugestões de projeto. Mais uma vez, muito obrigado, professores.
Com relação ao trabalho experimental, algumas pessoas foram de essencial importância. Dou destaque aos amigos Gustavo Hobold e Edevaldo pelo auxílio na construção da bancada, com sugestões e na fabricação de peças, bem como no pontapé inicial de todo o projeto.
Também agradeço aos amigos do LabTucal, sob coordenação da prof. Márcia. Agradeço ao corpo técnico, Luís e Leandro, por conseguirem tempo para me auxiliarem mesmo com as responsabilidades de outros projetos. Também agradeço ao Juan Pablo e ao Luis pelas dúvidas esclarecidas quanto a microgravidade. Também tenho de agradecer imensamente ao Prof. Slongo, que liberou tempo em sua agenda lotada por algumas vezes para tirar dúvidas quanto ao projeto eletrônico. Agradeço da mesma maneira ao amigo Pedro, que me auxiliou em tudo o que pôde na eletrônica e software, mesmo com o tempo escasso devido ao seu TCC. Agradeço ao laboratório POLO por me auxiliar com equipamentos para caracterização dos fluidos.
Gostaria de agradecer aos amigos do LEPTEN, que sempre estiveram dispostos a me ajudar, tornando este tempo de mestrado mais leve de suportar. Agradeço ao Casagrande, que me auxiliou com dicas técnicas importantes relacionadas aos nanofluidos; ao Kramer e Alex, companheiros de sala, pelas dicas de software e relacionadas à ebulição. Além destes, também gostaria de agradecer aos outros amigos de laboratório Thais, Felipe, Olívia, Luigi, Adonis, Arthur, Paulo, Luiz, Gabriel, Daniela, Ruan, Giovani, Adriano. Vocês agregaram tremendo valor a este mestrado.
Agradeço a Agência Espacial Brasileira (AEB) pelo financiamento do projeto, tendo sido essencial para construção da plataforma experimental.
Agradeço imensamente aos grandes amigos formados pela fé em Cristo através da IPTrindade, do grupo de jovens UMP e do grupo de estudos bíblicos ABU. Muito obrigado e que Deus os abençoe.
Dou destaque a um casal que fui agraciado pela amizade, Sr. Osvaldo e D. Zenilda. Não tenho palavras para agradecer a eles, que me acolheram na própria casa durante meses,
demonstrando todo amor e carinho em tempos de aflição para mim. Meus mais sinceros agradecimentos à vocês. Também a Jamile e Anderson, que junto da Lola me contemplaram com a consideração de irmãos. Deus foi muito generoso comigo os colocando em meu caminho.
Agradeço também a Meire, minha melhor amiga, companheira e pessoa de maior paciência que já conheci. Obrigado por ser tão amorosa comigo.
Por fim, agradeço a minha família pelo apoio incondicional e por me fazerem persistir neste sonho, me suportando financeira e emocionalmente, ouvindo meus lamentos e também me fazendo rir nas inúmeras videochamadas e ligações que tivemos de fazer devido a distância. Amo vocês, mãe, pai e meus irmãos! Este trabalho não é só meu, mas compartilho a finalização dele com cada um de vocês.
I seem to have been only like a boy playing on the seashore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of truth lay all undiscovered before me. Isaac Newton
R
ESUMO
A miniaturização de dispositivos eletrônicos gera um aumento na densidade do fluxo de calor dos mesmos, podendo causar a mudança do estado líquido para o estado de vapor dos fluidos de resfriamento em contato direto com estes dispositivos. Este fenômeno onde ocorre a evaporação em uma interface sólida-líquida e sem a indução do movimento do líquido é chamado de ebulição em piscina, apresentando valor muito alto para o coeficiente de transferência de calor (h) quando comparado à convecção monofásica. Um dos grandes desafios relacionados à ebulição está associado à sua complexidade fenomenológica, uma vez que envolve fases com estruturas não fixas que interagem e influenciam uma à outra. Assim, sendo, o propósito deste trabalho é contribuir para o entendimento do processo de ebulição de nanofluidos — líquidos acrescidos de partículas sólidas de escala nanométrica — através da construção de uma bancada autônoma para testes em condições de microgravidade. Para tanto, fizeram-se necessárias análises térmica, estrutural, elétrica e de automação por eletrônica embarcada. A plataforma torna possível uma investigação e quantificação da influência de parâmetros de maneira autônoma, sejam estes parâmetros a modificação da superfície aquecida e o uso de diferentes fluidos de trabalho utilizando-a em condições ambientais diferenciadas, como gravidade reduzida. Inicialmente, a bancada foi validada por dados da literatura utilizando água deionizada pura. Posteriormente, foi testada utilizando quatro diferentes concentrações de nanopartículas de óxido de alumínio (Al2O3) dispersas em água deionizada por vibrações ultrassônicas, sendo estas de 0,50 wt.%, 0,10 wt.%, 0,05 wt.% e 0,01 wt.%. Os resultados indicaram um aumento em h para as duas maiores concentrações, enquanto as duas menores não apresentaram modificação neste parâmetro. Os mesmos nanofluidos foram testados em diferentes períodos de repouso para verificar também a influência da deposição das nanopartículas na superfície de aquecimento. Nestes novos testes, a deposição das nanopartículas mostrou-se desfavorável em todas as concentrações para h. A bancada está, assim, autônoma e pronta para testes comparativos em diferentes condições de gravidade.
A
BSTRACT
The miniaturization of electronic devices increases the heat flux density dissipated, which may vaporize the liquid coolant in direct contact with these devices. This phenomenon where evaporation occurs in a solid-liquid interface, without the induction of liquid movement, is called pool boiling, and presents a high value for the heat transfer coefficient (h) when compared to single-phase convection. The difficulty when dealing with boiling is its phenomenological complexity, since it involves phases with non-fixed structures that interact and influence one another. Therefore, the purpose of this work is to contribute to the understanding pool boiling of nanofluids — liquids containing nano-scale particles — through the construction of an autonomous experimental setup for microgravity conditions. In order to do so, thermal, structural, electrical and automation analyses were required for embedded electronics. The platform allows the investigation and quantification of the influence of parameters in an autonomous way, such as the modification of the heated surface and the use of different working fluids under reduced gravity conditions. The experimental platform was validated with literature data using pure deionized water. Subsequently, it was tested using four different concentrations of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles dispersed in deionized water by ultrasonic vibrations, which were 0,50 wt.%, 0,10 wt.%, 0,05 wt.% and 0,01 wt.%. The results indicated an increase in h for the two highest concentrations, while the two smaller ones showed no change in this parameter. The same nanofluids were tested at different resting periods to also verify the influence of nanoparticle deposition on the heating surface. In these new tests, the deposition of the nanoparticles showed to be unfavorable for all concentrations. The experimental setup is thus autonomous and ready for comparative testing under different gravity conditions.
L
ISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Curva de ebulição característica. Fonte: Nukiyama (1934) . . . 3 Figura 2 – Curva de ebulição do experimento de Nukiyama. Fonte: Heitich et al. (2014). 8 Figura 3 – Evolução do número de publicações envolvendo "ebulição"e
"nanofluidos"de 2008 a jan/2019. Fonte: autor. . . 11 Figura 4 – Diagrama de Venn sintetizando o posicionamento dos artigos de trabalhos
experimentais analisados, também indicando a lacuna que pretende-se preencher com este trabalho. . . 18 Figura 5 – Plataforma experimental modular. . . 20 Figura 6 – Vista Explodida da seção de testes. . . 21 Figura 7 – Geometria da peça de cobre e o posicionamento dos termopares na mesma. 22 Figura 8 – Representação esquemática do posicionamento do termopar em contato
com o fluido. . . 23 Figura 9 – Módulo Experimental aberto. . . 23 Figura 10 – Módulo de Pressão com a câmara para recebimento dos vapores gerados. 24 Figura 11 – Fluxograma de comunicação entre as seções do experimento. . . 25 Figura 12 – Bancada simplificada e seus periféricos. . . 26 Figura 13 – Bancada autônoma com caixa de controle para simulação de sinais. . . 27 Figura 14 – Módulo de alimentação com baterias montadas. Bateria Experimental (24
V/ 10 Ah) e Bateria Eletrônica (12 V/ 5 Ah) . . . 27 Figura 15 – Módulo de eletrônica embarcada com plataforma multi-missões
desenvolvida por Slongo et al. (2019). . . 29 Figura 16 – Diagrama de blocos com as comunicações realizadas entre dispositivos. . 30 Figura 17 – Placas de condicionamento de sinais e de potência com seus respectivos
conectores e/ou dispositivos comunicadores. Projetada por Slongo et al. (2019). . . 31 Figura 18 – Design da placa de processamento de dados MicroZed Board. . . 32 Figura 19 – Caixa de Controle em duas vistas. (a) Botão e chaves funcionais, além de
conectores para fontes de alimentação na lateral. (b) Conectores para cabo umbilical e cabo serial RS-232. . . 34 Figura 20 – Imagem das nanopartículas de óxido de alumínio – γ (Fonte:
Nanostructured and Amorphous Materials, Inc). . . 36 Figura 21 – Diagrama esquemático do aparelho FOX50 com célula de teste para
medição da condutividade térmica em líquido. Fonte: LaserComp (Modificado pelo autor). . . 38 Figura 22 – Fotografias dos frascos para visualização da deposição das nanopartículas
Figura 23 – Valores de densidade para a água deionizada medidos de acordo com a temperatura. . . 44 Figura 24 – Razão entre a densidade de cada concentração de nanofluido e dos valores
calculados pela Eq. (4.1) e a densidade do fluido puro em função da temperatura. . . 45 Figura 25 – Valores de viscosidade medidos para água deionizada de acordo com a
temperatura. . . 46 Figura 26 – Razão entre a viscosidade de cada concentração de nanofluido e dos valores
calculados pela Eq. (4.2) e a viscosidade do fluido puro de acordo com a temperatura. . . 47 Figura 27 – Valores medidos de condutividade térmica para água deionizada pura de
acordo com a temperatura. . . 48 Figura 28 – Razão entre a condutividade térmica de cada concentração de nanofluido
e dos valores calculados pela Eq. (4.3) e a condutividade térmica do fluido puro de acordo com a temperatura. . . 49 Figura 29 – Frascos de nanofluidos com concentração de 0,50 wt.%, em dias diferentes,
para demonstrar a deposição das nanopartículas. . . 49 Figura 30 – Valores medidos do fluxo de calor em função do excesso de temperatura,
para o fluido puro. . . 50 Figura 31 – Relação entre o coeficiente de transferência de calor (h) dos nanofluidos e
do fluido base puro em função da concentração. . . 51 Figura 32 – Relação entre o coeficiente de transferência de calor (h) de cada
concentração do nanofluido dias após seu preparo e do mesmo nanofluido logo após preparo. . . 52 Figura 33 – Comparação entre dados experimentais obtidos com a bancada de projeto
e dados obtidos através da correlação de Rohsenow (1952) e de Stephan e Abdelsalam (1980). . . 53 Figura 34 – Dados de tensão para um resistor recebidos através da eletrônica
embarcada, indicando o funcionamento da mesma de maneira autônoma. 54 Figura 35 – Dados de pressão recebidos de um dos transdutores de pressão através da
eletrônica embarcada. . . 55 Figura 36 – Dados de temperatura de uma das câmaras de ebulição recebidos
utilizando a eletrônica embarcada. . . 55 Figura 37 – Certificado de calibração para as esferas do viscosímetro realizado pela
empresa Holts Precision Inc. . . 67 Figura 38 – Certificado de calibração do fluido Cannon N44 realizado pela empresa
Cannon Instrument Inc., usado para determinar a constante de calibração do viscosímetro. . . 68 Figura 39 – Datasheet da bateria de 24V. . . 69 Figura 40 – Datasheet da bateria de 12V. . . 70
Figura 41 – Certificado de calibração de um dos transdutores de pressão realizado pela Omega Engineering Inc. . . 71 Figura 42 – Desenhos técnicos de um dos resistores e de um dos transdutores de
pressão utilizados cujos sinais são recebidos nas placas da eletrônica embarcada. . . 73
L
ISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Revisão de literatura de trabalhos envolvendo ebulição de fluidos puros e
nanofluidos em gravidade variável ou não. . . 17
Tabela 2 – Pinagem do conector D-sub25 da caixa de controle. . . 35
Tabela 3 – Incertezas associadas à medição de concentrações dos nanofluidos. . . 43
Tabela 4 – Incertezas associadas à medição de densidade. . . 44
Tabela 5 – Incertezas associadas a medição de viscosidade. . . 46
Tabela 6 – Incertezas associadas a medição de temperatura de cada um dos termopares do tipo T. . . 65
Tabela 7 – Equações para encontrar temperatura de cada um dos termopares do tipo T utilizados. . . 66
L
ISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
∙
AEB Agência Espacial Brasileira
ARM Advanced RISC Machine
di H2O Água deionizada
DI H2O Água deionizada e destilada
EMC Departamento de Engenharia Mecânica
EEL Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica FCC Fluxo de calor crítico
FPGA Field Programmable Gate Array IAE Instituto de Aeronáutica e Espaço JTAG Joint Test Action Group
PES Plataforma experimental simplificada PEA Plataforma experimental autônoma
SoC System on Chip
SoM System on Module
SPI Serial Peripheral Interface
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina VSB-30 Veículo de Sondagem Booster - motor S30
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ISTA DE SÍMBOLOS
∙
Símbolo Descrição Unidade SI
g Aceleração da gravidade m/s2
c Calor Específico J/(kg K)
h Coeficiente de transferência de calor W/(m2K)
Cs, f Combinação Superfície-Fluido –
k Condutividade térmica W/(m K)
K Constante (esfera do Viscosímetro) –
F Constante (ângulo do viscosímetro) mPa cm3/g
hf g Entalpia de Vaporização J/kg
Scal Fator de calibração –
q′′ Fluxo de Calor W/m2 µG Microgravidade – Nu Número de Nusselt – Pr Número de Prandtl – P Pressão bar R Resistência térmica m2K/W T Temperatura K ouoC Caracteres gregos
θ Ângulo de contato rad
φ Concentração Mássica wt.%
ρ Densidade kg/m3
σ Tensão Superficial N/m
∆ Variação –
µ Viscosidade cinemática mm2/s
η Viscosidade dinâmica mPa s
Subscritos
cont Contato –
Ber Correlação de Berenson –
FZu Correlação de Forster e Zuber –
Roh Correlação de Rohsenow –
SAb Correlação de Stephan e Abdelsalam –
B Ebulição em piscina –
C Ebulição convectiva forçada –
l Fase Líquida – v Fase Vapor – f Fluido – f b Fluido Base – n f Nanofluido – np Nanopartículas – sat Saturação – w Superfície – p Pressão constante – vid Vidros –
S
UMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . . 1 1.1 Objetivos . . . 5 1.1.1 Objetivo geral . . . 5 1.1.2 Objetivos específicos . . . 5 1.2 Estrutura da dissertação . . . 5 2 REVISÃO DELITERATURA . . . . 7 2.1 Processos envolvidos na ebulição . . . 7 2.1.1 Superfície de aquecimento . . . 9 2.1.2 Aplicabilidade de nanofluidos . . . 10 2.1.3 Ebulição em piscina em gravidade reduzida . . . 13 2.2 Mecanismos da ebulição e correlações . . . 15 2.3 Síntese . . . 163 MATERIAIS EMÉTODOS . . . 19 3.1 Seção experimental . . . 19 3.1.1 Módulo Experimental . . . 20 3.1.2 Módulo de Pressão . . . 24 3.2 Plataforma experimental simplificada - PES . . . 24 3.3 Plataforma experimental autônoma (PEA) . . . 26 3.3.1 Módulo de Baterias . . . 27 3.3.2 Módulo da eletrônica embarcada . . . 28 3.3.3 Módulo da Caixa de Controle . . . 33 3.4 Preparo dos nanofluidos . . . 34 3.4.1 Densidade . . . 37 3.4.2 Viscosidade . . . 37 3.4.3 Condutividade térmica . . . 38 3.4.4 Deposição de nanopartículas . . . 39 3.5 Procedimento experimental . . . 40 3.5.1 PES . . . 40 3.5.2 PEA . . . 41 4 RESULTADOS EDISCUSSÃO . . . 43 4.1 Caracterização dos nanofluidos . . . 43 4.1.1 Densidade . . . 43 4.1.2 Viscosidade Dinâmica . . . 45 4.1.3 Condutividade Térmica . . . 47 4.1.4 Deposição das nanopartículas . . . 49
4.2 Curvas de ebulição . . . 50 4.2.1 Comparação com a literatura . . . 53 4.3 Plataforma autônoma . . . 53
5 CONCLUSÕES ERECOMENDAÇÕES . . . 57 5.1 Sugestões para trabalhos futuros . . . 58
REFERÊNCIAS . . . 59
APÊNDICE A INCERTEZAS. . . 63 A.1 Termopares . . . 64
ANEXO A CERTIFICADOS DE CALIBRAÇÃO . . . 67
ANEXO B DIAGRAMAS . . . 73 B.1 Resistor e Transdutor de Pressão . . . 73
1
1 I
NTRODUÇÃO
A demanda energética mundial vem gerando cada vez mais uma procura pela forma mais eficaz de produzir, transmitir e estocar energia. Pensando nisto, a transferência de calor mais eficiente, ou seja, com a maior taxa, vem sendo buscada pela engenharia. Um estudo envolvendo o fenômeno da transferência de calor, assim como explicado por Çengel (2012), tem como finalidade básica a determinação desta taxa em que ocorre o fenômeno e a variação de temperatura gerada pelo mesmo.
Com o avanço das tecnologias digitais, verifica-se que dispositivos cada vez menores vêm sendo desenvolvidos. Na área de engenharias, microtrocadores de calor vêm apresentando inúmeras aplicações na indústria, tais como sensores químicos, dispositivos de exploração espacial, computadores de bolso, celulares e nanochips. Isto torna o papel da transmissão de calor ainda mais complexo, uma vez que a mesma depende, além de outros fatores, da área superficial exposta, tornando ainda maior a necessidade por dispositivos mais eficientes no processo de refrigeração (GAO; PERSON; FAVRE-MARINET, 2002).
Dentre os modos de transferência de calor, destaca-se a convecção devido a sua aplicabilidade no presente estudo. Este modo é descrito como a transferência de energia térmica entre uma superfície sólida e o fluido adjacente, combinando os efeitos por condução e de movimento deste fluido (INCROPERA; DEWITT, 2014). O fluido, neste caso, é o encarregado de realizar o transporte da energia para a ou da superfície sólida.
A troca de calor por mudança de fase vem apresentando grande interesse devido ao seu alto valor atingido pelo coeficiente de transmissão de calor (h), apresentado pela seguinte equação:
h= q′′
(Tw−Tsat) (1.1)
onde q” é o fluxo de calor, Twé a temperatura da superfície e Tsaté a temperatura de saturação do fluido. Este coeficiente chega a ser de uma a duas ordens de grandeza superior quando comparado à convecção por apenas uma fase do fluido (CAREY, 1992), chegando a 100 kW/(m2 K). A transferência de calor por ebulição se torna bastante distinta da convecção forçada de fase única por ser altamente dependente da diferença de temperatura entre fluido e superfície aquecida.
O envolvimento de duas fases com estruturas não fixas, como é o caso do líquido e do vapor na troca de calor por ebulição, gera maior complexidade ao problema, uma vez que ambas as fases interagem, influenciando uma à outra. Outra característica que agrega ainda maior complexidade ao processo de ebulição é o efeito da geometria da microsuperfície em aquecimento. Isto demonstra o quanto o fenômeno ainda não pode ser dito por completo entendido, como demonstrado por Straub (2001), dificultando a estruturação de ferramentas numéricas de simulação e correlações precisas.
De acordo com a presença ou não de movimento forçado de fluido, a ebulição é classificada e estudada de maneira distinta. É classificada em ebulição em piscina quando a
2 Capítulo 1. Introdução massa de fluido está parada e o movimento ocorre por convecção natural e pela formação e movimentação das bolhas. Já a classificação em ebulição em escoamento (ou convectiva) ocorre quando o movimento do fluido é dirigido e forçado na superfície aquecida, sendo caracterizado por rápidas mudanças de fase no sentido do escoamento. Rohsenow (1971) mostrou através de dados experimentais que a ebulição convectiva pode ser representada pela superposição das parcelas da ebulição em piscina e da parcela convectiva de fase única, assim como mostrado na equação a seguir:
q′′
T =q′′B+q′′C (1.2)
onde qB” trata da parcela de ebulição em piscina e qC” da parcela convectiva forçada de fase única. Devido à aplicabilidade no presente trabalho, dar-se-á maior enfoque ao estudo da ebulição em piscina. Portanto, ao falar-se ebulição, trata-se especificamente da ebulição em piscina.
Em geral, a determinação do coeficiente de transferência não depende apenas das propriedades do fluido de trabalho, mas é um parâmetro que também pode ser determinado experimentalmente, utilizando alguma das diferentes correlações da literatura. No caso da convecção por ebulição, além das variáveis já consideradas pela convecção geral, como geometria da superfície, propriedades do fluido e tipo de escoamento, também entram na conta parâmetros que, na maioria das vezes, não são de fácil quantificação, como qualidade da superfície de aquecimento, velocidade na formação de bolhas e tempo de início da formação de bolhas. A dinâmica da formação de bolhas de vapor, por exemplo, influencia o movimento do líquido que influencia diretamente o coeficiente de transferência de energia térmica.
O mecanismo de transferência de calor por ebulição, descrito por Bejan (1995), se inicia quando a temperatura da superfície do sólido aquecido é maior que a temperatura de saturação do líquido em contato. O processo, ao se prolongar, é acompanhado pela transformação do líquido em bolhas, colunas e filmes de vapor. Quando a temperatura do líquido é maior que a da bolha, calor é transferido para a bolha formada por vapor, fazendo com que ela cresça e, sob os efeitos do empuxo, o vapor na forma de bolha seja carregado pela fase líquida até a superfície da piscina. Quando a temperatura da bolha aumenta, parte do vapor contido na mesma é condensado, causando o colapso de sua superfície.
Como ainda se trata de um tópico complexo, para se examinar a taxa de transferência de calor pela ebulição ainda é necessário basear-se em relações empíricas dadas pela experimentação. Nukiyama (1934) observou que a ebulição assume diferentes formas de acordo com o valor chamado excesso de temperatura (ou superaquecimento de parede), dado pela diferença entre a temperatura da superfície aquecida e a temperatura de saturação do líquido, ou seja, (TW - TSat). Os diferentes regimes verificados em seu experimento puderam ser claramente observados através da curva construída e que relaciona o fluxo de calor ao excesso de temperatura, assim como mostrado na Figura 1. Na curva de Nukiyama, podem ser verificados os diferentes regimes de ocorrência da ebulição. Inicialmente, o fenômeno é controlado pela convecção natural, onde o fluido é aquecido. Em seguida, inicia-se a formação de bolhas e colunas de vapor até o ápice do fluxo de calor admissível.
3 Posteriormente, dá-se uma seção caracterizada por instabilidades na formação de vapor na superfície de aquecimento, onde o fluxo de calor decresce com o aumento do excesso de temperatura. Ao final, o processo é controlado por condução e radiação através do vapor, voltando a crescer o fluxo de calor.
Figura 1: Curva de ebulição característica. Fonte: Nukiyama (1934)
Fazendo uma analogia com a convecção forçada turbulenta de fase única, Rohsenow (1952) desenvolveu a primeira e mais amplamente utilizada correlação para o fluxo de calor (q”) em ebulição nucleada em função do superaquecimento (∆T), como mostrada na Equação 1.3 a seguir. q′′ Roh =µhf g" g(ρlσ−ρv) #1/2 cp,l∆T Cs, fhf gPrn l !3 (1.3) As constantes Cs, f e n são determinadas experimentalmente e dependem da combinação entre superfície e fluido, observando também a qualidade da superfície, sendo um dos principais fatores a serem melhorados para aumentar a eficiência deste modo de transferência de calor. Para atingir este objetivo de melhoria da qualidade superficial algumas técnicas têm se destacado, dentre elas a utilização de superfícies mais rugosas ou com cavidades artificiais específicas, como visto por Chowdhury e Winterton (1985) e também a utilização de nanofluidos, fluidos acrescidos de partículas de escala nanométrica, como visto por You, Kim e Kim (2003). Dentre os diferentes métodos para modificar a rugosidade superficial destacam-se a utilização de revestimentos microporosos, de aditivos químicos e de diferentes fluidos acrescidos de partículas sólidas com melhores características de condução térmica.
Através da Equação 1.3 verifica-se a influência do estado termodinâmico, onde as propriedades dependem da fase do fluido e são avaliadas em Tsat. Também pode ser verificada a dependência com relação à aceleração da gravidade, um dos fatores na força de empuxo. O empuxo atua no mérito da formação e movimentação das bolhas no processo de ebulição e, consequentemente, na melhoria ou piora da transferência de calor.
O efeito de Marangoni é gerado na interface entre fluidos com diferentes gradientes de tensão superficial causando movimento de massa. Mínimas alterações da temperatura
4 Capítulo 1. Introdução do líquido causam diminuição local da tensão superficial, dando origem às forças de tração, movimentando o líquido para longe das partes mais quentes. Com o ascender do líquido do fundo aquecido, aumentam as flutuações, originando ainda maiores instabilidades. Sob condições terrestres, este efeito é desprezível na ebulição nucleada, uma vez que os efeitos de empuxo são muito superiores. No caso de gravidade reduzida, são necessários maiores estudos para se verificar a influência deste fenômeno na formação, desprendimento e crescimento das bolhas. É neste contexto que o presente trabalho se enquadra, sabendo que o estudo do efeito de Marangoni tem potencial para ajudar a compreender melhor o fenômeno da transferência de calor em ebulição.
Esta dissertação busca avaliar a ebulição nucleada a partir da modificação da superfície de aquecimento e em diferentes condições ambientais. A modificação da superfície ocorre pelo uso de diferentes concentrações de nanofluidos para um mesmo fluido base, sendo analisada também a deposição de nanopartículas com o tempo e o comportamento das propriedades dos fluidos. A bancada também foi construída de maneira a estar autônoma e versátil, pronta para análise também em gravidade variada, mais especificamente em microgravidade, a bordo do foguete brasileiro VSB-30, assim que houver lançamento de edital pela Agência Espacial Brasileira (AEB).
O VSB-30 é um foguete lançador de dimensões pequenas e de dois estágios, sendo estabilizado de maneira rotacional, chegando a superar Mach 61. Em dezembro de 2016 ocorreu o último lançamento deste em Alcântara, chamado Operação Rio Verde, levando a bordo oito experimentos científicos que transmitiram durante o voo seus dados por telemetria. Trata-se de um voo em trajetória parabólica, apresentando o maior tempo possível em microgravidade, exceto a utilização da Estação Espacial Internacional (EEI). O tempo em microgravidade esperado é de aproximadamente 6 minutos e o tempo total desde o lançamento até o impacto no chão de 11 minutos. Infelizmente, o último voo não alcançou a altura necessária para microgravidade por falha do foguete. Para missão completa, o apogeu do voo e a distância de impacto são de aproximadamente 30 km e 15 km, respectivamente. Todos estes dados são disponibilizados pela agência (AEB, 2017). O presente projeto tomou como base os projetos e o edital desta operação.
Conforme o exposto, a transferência de calor por ebulição vem sendo uma área de pesquisa ativa devido ao seu grande impacto tanto na indústria de geração de potência, quanto na refrigeração de altas densidades de fluxo de calor. Apesar disso, os principais mecanismos responsáveis tanto pela transmissão de calor quanto pelo fenômeno do fluxo de calor crítico ainda são pouco conhecidos, particularmente quando há a presença de nanofluidos em ambiente de microgravidade. Adicionalmente, embora haja ativo desenvolvimento de superfícies de aquecimento no sentido de melhorar tanto o fluxo crítico quanto o coeficiente de transmissão de calor, pouco se sabe sobre a durabilidade desses componentes em situações reais de ebulição, como tempos prolongados e condições variadas do fenômeno. Neste sentido que entra o presente estudo, ou seja, buscar angariar maior conhecimento sobre ebulição em piscina através de uma plataforma experimental.
1.1. Objetivos 5
1.1 O
BJETIVOS
1.1.1 O
BJETIVO GERALO propósito deste trabalho é trazer maior entendimento ao fenômeno da transferência de calor por ebulição em piscina assistida por nanofluidos em condições de microgravidade. Assim sendo, o objetivo geral deste trabalho é projetar, construir e validar o funcionamento de uma bancada totalmente autônoma, a qual tornará possível uma análise e quantificação dos efeitos de nanopartículas suspensas na transmissão de calor por ebulição em piscina, em condições terrestres e de microgravidade.
1.1.2 O
BJETIVOS ESPECÍFICOSA fim de atingir o objetivo geral, foram estabelecidos alguns objetivos específicos, conforme listados abaixo:
∙ Revisar extensivamente o estado da arte de ebulição em piscina, em particular no que se refere à utilização de nanofluidos em gravidade terrestre e reduzida.
∙ Projetar e construir uma plataforma experimental para ensaios de ebulição em piscina em gravidade terrestre e capaz de realizar testes autônomos em condições de gravidade reduzida.
∙ Validar a bancada, comparando seus resultados de ebulição com dados da literatura, em condições terrestres.
∙ Realizar ensaios terrestres em diferentes regimes de ebulição e diferentes condições dos nanofluidos.
∙ Avaliar os efeitos de cada modificação dos nanofluidos no coeficiente de transferência de calor.
∙ Propor próximos passos para a realização dos experimentos de ebulição em voos suborbitais com nanofluidos.
1.2 E
STRUTURA DA DISSERTAÇÃO
A presente dissertação foi organizada em cinco capítulos. De maneira resumida, estes serão apresentados a seguir com seus respectivos conteúdos.
No segundo capítulo é apresentada a revisão bibliográfica relacionada à temática do trabalho: transferência de calor com mudança de fase por ebulição. Neste capítulo dá-se enfoque maior a três diferentes perspectivas, sendo elas a própria ebulição em piscina, a utilização de nanofluidos para transferência de calor e a realização de trabalhos com aceleração da gravidade variada.
O terceiro capítulo é dedicado à apresentação do aparato experimental, mostrando desde sua concepção como projeto, materiais, etapas da construção, instrumentação e passo
6 Capítulo 1. Introdução a passo de utilização de maneira autônoma. Nele, também são apresentadas as metodologias utilizadas para realizar a caracterização das propriedades termofísicas dos fluidos de trabalho.
No quarto capítulo são apresentados os dados obtidos para caracterização dos nanofluidos. Além disso, são apresentados os resultados obtidos através da plataforma experimental com cada uma das concentrações de nanofluidos para o coeficiente de transferência de calor, comparando-os também com a literatura.
No quinto e último capítulo são apresentadas as conclusões gerais do trabalho, bem como sugestões para trabalhos futuros que agregarão um conhecimento ainda maior a área.
7
2 R
EVISÃO DE
L
ITERATURA
Quando a temperatura de uma superfície em contato com líquido excede a temperatura de saturação deste fluido, uma pequena camada de líquido superaquecido é formada, dando início ao processo de ebulição. A caracterização mais comum deste processo é pela formação de bolhas de vapor que crescem, desprendem-se e são transportadas dentro do fluido na fase líquida pelos efeitos de empuxo. Como se trata de um processo de transferência de calor por convecção do sólido para o líquido, de forma simplificada, o fluxo de calor q” pode ser calculado através da lei de Newton do resfriamento:
q′′ =h· (T
w−Tsat) = h·∆T, (2.1)
onde h é o coeficiente de transferência de calor, Tw é a temperatura da superfície aquecida, Tsat é a temperatura de saturação do fluido em ebulição. A diferença entre Tw e Tsat é o excesso de temperatura ∆T (INCROPERA; DEWITT, 2014).
2.1 P
ROCESSOS ENVOLVIDOS NA EBULIÇÃO
Os primeiros estudos relacionados especificamente ao fenômeno da transferência de calor por ebulição datam do século XVIII. Como partida aos estudos neste campo, Leidenfrost (1756), na Alemanha, apresentou um estudo com observações realizadas sobre o comportamento da água sobre uma superfície aquecida. Nele, observou-se que o tempo de evaporação da água aumentava por conta de uma camada de vapor que se formava entre a superfície aquecida e o líquido, promovendo um isolamento térmico. Também na Alemanha, Jakob e Fritz (1931) apresentaram os primeiros estudos relativos aos efeitos da rugosidade da superfície aquecida sobre o coeficiente de transferência de calor por ebulição. Finalmente, Nukiyama (1934), no Japão, apresentou resultados experimentais da correlação entre o fluxo de calor e o excesso de temperatura, elaborando uma curva de ebulição generalizada, como mostrado na Figura 2. Seus resultados ainda são a base para grande parte dos trabalhos experimentais envolvendo ebulição.
Nukiyama (1934) realizou seu experimento aquecendo um fio metálico de níquel-cromo imerso em água. O fluxo térmico dado pela potência dissipada por efeito Joule, foi controlado pela medição da corrente elétrica e da diferença de potencial. Já a temperatura do fio foi obtida pelo conhecimento do comportamento da sua resistência elétrica com a variação de temperatura. Neste experimento, como mostrado na Figura 2, foi possível visualizar os distintos regimes de comportamento do fluido durante a ebulição. O regime A-B trata da região monofásica, em que o movimento do fluido é dominado pelos efeitos de convecção natural, onde o fluido na região mais próxima à superfície é aquecido, expande-se e se desloca. Um aumento no fluxo de calor leva ao regime de ebulição nucleada (B’-C), região em que é possível obter-se elevados valores de fluxos de calor com pequenos aumentos na temperatura de superfície. Este é um regime de grande interesse como ponto de
8 Capítulo 2. Revisão de Literatura
Figura 2: Curva de ebulição do experimento de Nukiyama. Fonte: Heitich et al. (2014).
operação para muitos equipamentos. O regime C-F (região de transição) foi previsto por Nukiyama (1934) em seu trabalho, sendo alcançada por meio do controle da temperatura do aquecedor e não do fluxo térmico. O regime F-D é aquele atingido quando a superfície se encontra coberta por uma manta de vapor, como observado pela primeira vez por Leidenfrost (1756). Neste trecho predominam os efeitos da transferência de calor por condução e radiação. Um ponto de grande importância na curva de ebulição é o de fluxo de calor crítico (FCC), no ponto C, onde uma quantidade considerável de vapor é formada. Devido a considerável quantidade de vapor formada, que acaba por dificultar a chegada de líquido para molhar a superfície, valores próximos ao FCC podem causar degradação da superfície de aquecimento e piora da transferência de calor.
A dificuldade para se estudar a ebulição se encontra principalmente nos seus mecanismos, os quais ocorrem em diferentes escalas (macro, micro e nano). A interação entre a superfície e o fluido também tem efeito importante na ebulição, sendo caracterizada sobretudo pela molhabilidade, resultado das forças de adesão e de coesão. Outros elementos que tornam o fenômeno ainda mais complexo são os sítios de nucleação ocasionados pela qualidade de superfície, presença de nanopartículas em diferentes concentrações e a aceleração da gravidade, que promove efeitos nas forças de empuxo e movimentação do fluido. Um aumento no coeficiente de transferência de calor, por exemplo, está intimamente ligado ao aumento da formação de bolhas de vapor (JABARDO, 2008).
As próximas seções terão como intuito revisar alguns dos trabalhos relacionados, situar o projeto proposto às pesquisas realizadas até o momento e evidenciar a sua necessidade. Serão discutidos métodos para melhoria da performance térmica de fluidos em
2.1. Processos envolvidos na ebulição 9 ebulição, destacando-se a alteração da superfície de aquecimento e a utilização de fluidos acrescidos de nanopartículas. Por fim, serão discutidos trabalhos que analisam a dependência da transferência de calor quanto a aceleração gravitacional.
2.1.1 S
UPERFÍCIE DE AQUECIMENTOComo verificado em seções anteriores, a influência da qualidade da superfície de aquecimento sobre o fluxo de calor é descrita na correlação apresentada por Rohsenow (1952), na Equação 1.3. O coeficiente Cs, f é determinado experimentalmente e depende, além da combinação sólido-fluido, também da forma com que a superfície é tratada. Os efeitos das características apresentadas pela superfície ainda não estão bem estabelecidos na literatura, sendo o seu grau de influência quantificado de maneiras distintas por diferentes pesquisadores, como mostram Pioro, Rohsenow e Doerffer (2004).
A qualidade da superfície engloba diversos parâmetros, desde propriedades termofísicas, como absortividade e condutividade térmica; interações entre sólido e fluido nas diferentes fases, como molhabilidade, adesão e absorção; e microgeometria, como rugosidade, dimensão e forma das cavidades. A influência das propriedades termofísicas é conhecida e quantificável no fluxo de calor, mas as outras características da qualidade de superfície ainda necessitam de estudos mais aprofundados para verificar esta dependência. Kim et al. (2015) apresentaram um estudo revisional sobre materiais mais avançados utilizando técnicas de micro e nanofabricação. Neste trabalho, foi observado que ao aumentar o número de locais ativos de nucleação, o ângulo de contato do líquido aumenta, influenciando na molhabilidade, favorecendo a formação de bolhas e aumentando o fluxo térmico. Em um estudo similar com superfícies micro e nanoestruturadas, Shojaeian e Ko¸sar (2015) obtiveram resultados semelhantes, obtendo melhorias significativas na transferência de calor por ebulição. Com os avanços das técnicas de fabricação, estes novos tipos de estruturas a nível micro e nanométrico oferecem oportunidades promissoras para melhoria da troca de calor. No entanto, a fabricação em larga escala não é viável, uma vez que tais estruturas também apresentam rápida degradação termomecânica (KIM et al., 2015).
No tocante à rugosidade da superfície, muitos trabalhos relacionam este parâmetro com o aumento na transferência de calor. Entre os primeiros trabalhos na área, Berenson (1962) demonstrou que o aumento na rugosidade superficial aumenta o fluxo térmico para ebulição nucleada. Apesar disso, a menos que uma única técnica seja utilizada para obter diferentes graus de rugosidade, resultados divergentes podem ser obtidos (CHOWDHURY; WINTERTON, 1985). Como mostrado por Pioro, Rohsenow e Doerffer (2004), superfícies com a mesma rugosidade também podem apresentar diferentes valores de parâmetros da transferência de calor, sendo assim necessária uma investigação mais aprofundada de outras propriedades da superfície. No trabalho de Jones, McHale e Garimella (2009) foi realizada uma comparação entre superfícies com diferentes rugosidades, obtidas por lixamento e por polimento, tendo sido utilizados um fluido molhante (FC-77) e outro pouco molhante (água). Obteve-se uma relação forte da rugosidade no coeficiente de transferência de calor para o fluido molhante, chegando a ser duas vezes maior que a com fluido pouco molhante.
10 Capítulo 2. Revisão de Literatura Chu, Enright e Wang (2012) investigaram a influência da rugosidade de superfície fabricada com cavidades horizontalmente orientadas no fluxo de calor crítico. Foi indicado um crescimento no fluxo térmico com o aumento da rugosidade, fato explicado pela amplificação das forças de capilaridade ou de adesão entre fluido e superfície. Posteriormente, Dhillon, Buongiorno e Varanasi (2015) mostraram a existência de um espaçamento ótimo entre micropilares que maximiza o fluxo crítico. Singh, Mikic e Rohsenow (1976) exploraram os efeitos do tamanho, forma e número de cavidades em uma superfície sobre o fluxo térmico.
Estas técnicas de melhoria da qualidade de superfície aqui apresentadas buscam intensificar a transferência de calor, não requerendo energia externa ao sistema para isto. Dentre outras técnicas, podem ser destacados o uso de superfície estendidas, como microaletas, e também o uso de superfícies tratadas com revestimento de outros materiais. O confinamento com diferentes valores de pressurização é outro método utilizado com intuito de aumentar a taxa de troca de calor. Estas são técnicas passivas, ou seja, que não requerem trabalho extra de maquinário para atingirem seus objetivos (LIANG; MUDAWAR, 2018).
Por último, a taxa de transferência de calor pode ser elevada por meio do uso de fluidos com partículas sólidas com melhores características para transmissão de calor. Estes são os chamados nanofluidos. Trata-se de um dos procedimentos que vêm crescendo no meio acadêmico e com aplicação na indústria, mas que ainda apresenta a dificuldade associada ao pouco entendimento do seu comportamento, tendo em vista os diferentes tipos de alterações que podem ser feitas nestes fluidos. Dentre as modificações, pode-se destacar a concentração e o tipo de soluto, as características geométricas das partículas nanométricas, o tipo de fluido base e o método de preparo do nanofluido. A seguir é apresentada uma revisão dos estudos envolvendo nanofluidos em diferentes áreas da transferência de calor, demonstrando o porquê da sua aplicação neste trabalho.
2.1.2 A
PLICABILIDADE DE NANOFLUIDOSEmbora a condutividade térmica de um fluido desempenhe um papel importante no processo de transferência de calor por convecção e na eficiência energética para equipamentos, sabe-se que os líquidos possuem condutividade térmica ordens de grandeza inferiores às de partículas metálicas e não metálicas. Desta forma, a utilização de partículas com características melhores de condutividade térmica cria expectativa de melhora em relação ao fluido simples na transferência de calor. Apesar de já ter sido empregado previamente para transferência de calor em outros trabalhos, apenas no estudo de Choi (1995) é que o termo nanofluido foi consolidado para este fim de melhoria na condutividade térmica e passou a ser utilizado. Nanofluidos são definidos como fluidos com partículas sólidas suspensas com tamanho de escala nanométrica, também chamados de coloidais. Outra característica que estes fluidos apresentam é a estabilização na mistura, limitando os efeitos de sedimentação que podem acontecer ao serem utilizadas partículas de escala mili a micrométricas (TAYLOR; PHELAN, 2009). O número de pesquisas envolvendo nanofluidos vem crescendo consideravelmente, como pôde observar Motta (2012).
2.1. Processos envolvidos na ebulição 11 Como apresentado na Figura 3, o número de publicações envolvendo nanofluidos e ebulição indica uma crescente busca por entender este processo complexo utilizando estes fluidos. Com relação aos estudos de nanofluidos no campo da ebulição, é possível observar uma grande diversidade nos resultados. Apesar disto, é indiscutível o aumento no fluxo de calor crítico que pode ser obtido por estes novos fluidos (MURSHED et al., 2011). Os dados reportados no processo de ebulição com nanofluidos ainda são limitados e dispersos, o que acaba por dificultar a compreensão dos mecanismos atuantes. Kamatchi e Venkatachalapathy (2015) mostraram em trabalho revisional que a dispersão dos resultados para nanofluidos é influenciada por alguns fatores, dentre eles o método de preparação, o tipo e as concentrações das nanopartículas, a pressão do sistema e a camada de deposição formada no aquecedor. Taylor e Phelan (2009) mostraram em seu trabalho revisional a influência da concentração de nanopartículas nos resultados, havendo, inclusive, uma concentração acima da qual ocorre uma piora na transferência de calor.
Figura 3:Evolução do número de publicações envolvendo "ebulição"e "nanofluidos"de 2008 a jan/2019. Fonte: autor.
Com relação ao preparo dos nanofluidos, são apresentados na literatura dois métodos: o de passo único e o de passo duplo. No primeiro método, a produção e a dispersão das nanopartículas são realizadas simultaneamente no fluido base, evitando a aglomeração destas e aumentando a estabilidade da mistura (CHOI, 2009). As principais desvantagens deste método são as restrições de preparo, que acabam por aumentar os custos do processo.
O método tipicamente adotado é o de dois passos, no qual as partículas de tamanho nanométrico são produzidas por tratamentos físicos ou químicos na forma de pó seco, e depois são dispersas no fluido base por vibração ultrassônica, agitação magnética ou homogenização. Contudo, neste método, as partículas tendem a se aglomerar, causando baixa estabilidade na mistura (LIANG; MUDAWAR, 2018). A estabilidade e a dispersão das partículas é ampliada com a utilização de surfactantes e/ou dispersantes e a mudança no pH por adição de ácidos, mas estes recursos também causam alteração nas propriedade
12 Capítulo 2. Revisão de Literatura fisicoquímicas dos fluidos que devem ser consideradas nas análises (AHMED; HAMED, 2012).
Após a escolha do método e o preparo, faz-se necessária a caracterização das propriedades do novo fluido, como a quantificação da condutividade térmica e da viscosidade. Como descrito por Eastman et al. (2001) e também no presente trabalho, devido ao fato das nanopartículas possuírem propriedades termofísicas superiores às do fluido espera-se que a condutividade térmica do nanofluido formado pela junção das duas partes seja aumentada. O aumento na condutividade térmica é acompanhado também do aumento da viscosidade do fluido (MOTTA, 2012).
A respeito da condutividade térmica, diversos estudos já foram realizados, mas mantém-se a discordância entre resultados. As variações nos resultados indicam a dependência desta propriedade com o tamanho e a geometria das partículas, a concentração e a temperatura utilizada, além, é claro, do fluido base e do material das nanopartículas. Por exemplo, Murshed, Leong e Yang (2005), ao utilizarem partículas esféricas com diâmetro médio de 15 nm, obtiveram um aumento de quase 30% na condutividade térmica, enquanto que Pak e Cho (1998) realizaram um trabalho com concentração de materiais semelhante ao trabalho anterior, mas com esferas de tamanho médio de 27 nm e obtiveram um aumento de apenas 11%. Murshed, Leong e Yang (2005) exploraram o uso de partículas cilíndricas e obtiveram melhoria nos resultados, cerca de 33% de aumento na condutividade térmica. Para a temperatura, nota-se uma relação diretamente proporcional com a condutividade térmica, como mostrado por Chon et al. (2005), chegando a 15% de aumento quando a temperatura varia de 21oC para 71oC.
O aumento na viscosidade é esperado de acordo com o incremento na concentração do nanofluido. Além da concentração, outros fatores devem ser levados em conta para se entender o comportamento desta propriedade, como a temperatura, os materiais usados, a dispersão no fluido, além do tamanho e a geometria das partículas. É desejável que a viscosidade seja a menor possível para uma maior eficiência térmica em equipamentos. Uma viscosidade menor tende a indicar que o calor se difunde mais rapidamente no fluido. Nguyen et al. (2008) mostraram em seu estudo que, de maneira geral, ocorre um aumento da viscosidade dos nanofluidos de acordo com a concentração, mas também diminui drasticamente com o aumento da temperatura. No estudo de Murshed, Leong e Yang (2008) foi mostrado que o aumento da viscosidade é prejudicial à efetividade no uso destes novos fluidos. Mahbubul, Saidur e Amalina (2012) apresentaram um trabalho revisional em que verificaram que o tamanho das partículas tem influência na viscosidade. Por esta propriedade ser influenciável por outros fatores como dispersão, tempo de preparo e forma das partículas, diferentes autores obtiveram variados resultados, apesar de usarem concentrações similares. Como atestado por Buongiorno (2006), os materiais mais comumente usados para nanopartículas são os óxidos e os metais. Dentre os óxidos se destacam a alumina (Al2O3), a sílica (SiO2), a titânia (TiO2) e os óxidos de cobre. No meio dos metais, os mais utilizados são cobre, ouro e prata. Dentre os outros materiais de escala nanométrica utilizados destacam-se os nanotubos de carbono (WEN; DING, 2004) e as nanopartículas de diamante (XIE; YU; LI, 2009). Com relação aos fluidos base, os mais comumente empregados na literatura são a água,
2.1. Processos envolvidos na ebulição 13 o etilenoglicol e os óleos em geral, como apresentado por Oliveira (2018).
O trabalho experimental apresentado por You, Kim e Kim (2003) mostrou um aumento significativo do fluxo de calor crítico comparando o nanofluido com seu fluido puro, embora o coeficiente de transferência não tenha indicado alteração. No trabalho, foi utilizada água destilada e deionizada como fluido base e óxido de alumínio como nanopartícula. Kim, Kim e Kim (2006) mostraram um estudo de nanopartículas em água, em que foi indicada uma melhora de 80% no fluxo de calor crítico, além de aumento da molhabilidade, medida pela redução no ângulo de contato estático. Este crescimento no fluxo de calor crítico foi justificado, com a ajuda da microscopia eletrônica de varredura, pela deposição de nanopartículas no aquecedor, sugerindo que uma superfície microporosa de aquecimento aumentaria a molhabilidade da mesma.
Kwark et al. (2010) apresentaram as características do comportamento de nanofluidos em baixa concentração. No estudo, foram investigadas as causas para a deposição de partículas na superfície aquecida. Seus resultados mostraram que a superfície se comporta de maneira diferente de acordo com o tempo de aquecimento durante a ebulição nucleada. Quanto maior o período de aquecimento, mais fino o revestimento de partículas na superfície, o que demonstra um comportamento transiente do fluido. Além disso, o estudo demonstra haver um valor ótimo entre a espessura da camada de nanopartículas e a superfície de aquecimento que produz um aumento do fluxo de calor crítico.
Apesar de a literatura reportar melhores performances dos nanofluidos, ainda é necessário estabelecer um comportamento típico desta nova classe de fluidos (GODSON et al., 2010). O comportamento destes fluidos na transferência de calor de acordo com a concentração e o tipo de partículas utilizadas será avaliado também com a finalidade de verificar a viabilidade desta técnica.
2.1.3 E
BULIÇÃO EM PISCINA EM GRAVIDADE REDUZIDANo método de ebulição em piscina, calor é transferido em um processo não-linear complexo que acontece em uma larga extensão de escalas de tempo e comprimento. As condições de ocorrência do processo de ebulição são dominadas pela variação na densidade do fluido, e, portanto, o empuxo possui grande influência neste modo de troca de calor. Buscam-se desenvolver modelos analíticos para prever o comportamento da ebulição, mas detalhes de cada mecanismo que influencia na remoção de calor ainda são obscuros à ciência. Dentre estes parâmetros se encontra a aceleração da gravidade, influenciando na movimentação do fluido pela formação e pelo desprendimento das bolhas.
O desenvolvimento de plataformas de exploração espacial cada vez mais eficientes demanda soluções para a troca de calor no espaço mais eficazes. Uma vez que, exceto em tubos de calor, apenas fluidos de fase única têm sido usados para aplicação espacial, limitando a troca de calor. A utilização da transferência de calor com mudança de fase apresenta como vantagem a redução do tamanho e do peso de equipamentos por conta da exploração do calor latente dos fluidos (KIM; RAJ, 2014).
14 Capítulo 2. Revisão de Literatura dependência do fluxo de calor com a gravidade. Kutateladze (1948), por meio de análise dimensional, e Zuber (1959), por intermédio de análise de estabilidade hidrodinâmica, apresentaram uma expressão para a influência da gravidade nos valores de fluxo térmico crítico. Embora estes modelos apresentem boas estimativas para transferência de calor ao nível da Terra, eles apresentam baixa precisão quando a gravidade fica reduzida e as forças de empuxo se tornam menos significantes.
Alguns dos mecanismos de transferência de calor por ebulição que acabam sendo mascarados ou desconsiderados em gravidade normal podem se tornar significativos em gravidade reduzida (STRAUB, 2001), levando ao processamento incorreto dos resultados. Dentre estes destacam-se os efeitos da termocapilaridade, resultantes dos gradientes de tensão superficial gerado na interface entre as bolhas de vapor e o líquido, também chamado de efeito de Marangoni, e os efeitos da microconvecção, causados pelo crescimento das bolhas e vórtices de seu desprendimento da parede. Experimentos em baixa gravidade ajudam a verificar a influência destes e outros fatores.
Em seu experimento com baixa gravidade, Siegel (1967) apresentou evidências de que o fluxo térmico na ebulição nucleada depende pouco da aceleração da gravidade, mas confirmou a dependência com a raiz quarta da aceleração gravitacional (g1/4) obtida por Kutateladze (1948) e Zuber (1959) para fluxos críticos e para a ebulição em filme.
Straub (2001) também apresentou diversos trabalhos neste campo utilizando foguetes e aeronaves com padrão de voo parabólico. Seus resultados indicaram pouco efeito da gravidade na transferência de calor, apesar do crescimento maior no tamanho das bolhas ter sido observado, concluindo que os efeitos de empuxo teriam sido substituídos por efeitos de tensão superficial.
Marco e Grassi (2002) também investigaram os efeitos da gravidade usando voos de aeronave parabólicos no fluxo de calor crítico, encontrando resultados satisfatórios para as correlações da literatura para altos números de Bond 1. Lee, Merte e Chiaramonte (1998) descreveram os resultados de experimentos de ebulição nucleada usando R-113 em diferentes voos espaciais. Eles observaram um acréscimo na transferência de calor em microgravidade quando comparada a gravidade terrestre e um decréscimo significante no valor crítico do fluxo de calor. Colin et al. (2017) em trabalho revisional, mostraram que, em baixo fluxo de calor na ebulição em piscina, a transferência de calor é menor em gravidade terrestre que em microgravidade, e que quando o fluxo aumenta a tendência é oposta.
Se todos os outros parâmetros do fluido e da superfície são mantidos constantes, a relação entre os fluxos térmicos com relação a aceleração da gravidade pode ser determinada pela equação a seguir:
q′′ a q′′g = a g !m , (2.2)
onde qa” é o valor de fluxo de calor para gravidade variada (a), qg” é o fluxo de calor em gravidade terrestre (g) e m é o parâmetro que relacionada o fluxo de calor e os valores de
1 O número de Bond se trata da relação entre as forças de empuxo e forças de tensão superficial (INCROPERA;
2.2. Mecanismos da ebulição e correlações 15 aceleração gravitacional. Diferentes estudos obtiveram variados valores para m, divergindo entre -0,33 e +0,5 (KIM; RAJ, 2014).
A Agência Espacial Brasileira (AEB), a partir de 1998, viabilizou o acesso de pesquisadores brasileiros a esse ambiente de microgravidade através do “Programa Microgravidade”. Através deste programa, projetos buscaram colocar o Brasil rumo à autonomia no setor aeroespacial. Por exemplo, o projeto de Souza, Passos e Cardoso (2013) objetivou mostrar o efeito da gravidade na ebulição confinada e não-confinada, concluindo que há uma redução de apenas 20% no coeficiente de transmissão de calor para ebulição confinada em microgravidade quando comparada à mesma modalidade em terra.
Paiva, Mantelli e Slongo (2015) desenvolveram um trabalho experimental que esteve a bordo do VSB-30 brasileiro. O experimento teve como objetivo verificar o comportamento do metanol, fluido de trabalho, para controle térmico e dissipação de calor de dispositivos eletrônicos através de mini tubos de calor sob condições de microgravidade. Os resultados indicaram baixa resistência térmica tanto para gravidade normal quanto para gravidade reduzida. Também na mesma universidade, Slongo et al. (2019) desenvolveram um aparato experimental com eletrônica embarcada que buscou verificar o recebimento e transferência de dados por telemetria. Os resultados indicaram aperfeiçoamentos a serem feitos visando melhorar este tipo de comunicação. A mesma configuração de eletrônica embarcada será a utilizada neste trabalho, tornando o trabalho de Slongo et al. (2019) a base para o presente projeto.
A refrigeração de componentes eletrônicos por ebulição em microgravidade parece promissora. Straub (2001) comenta que experimentos para teste de superfícies avançadas em tecnologia devem ser conduzidos. De fato, esse tipo de atividade não só aumenta o impacto e a possível comercialização de dispositivos de refrigeração por ebulição para aplicações espaciais, mas também auxilia na compreensão do papel da aceleração da gravidade nos fenômenos relacionados à ebulição, como o fluxo crítico e se a redução deste parâmetro pode ser evitada.
2.2 M
ECANISMOS DA EBULIÇÃO E CORRELAÇÕES
Além da correlação de Rohsenow (1952), apresentada no Capítulo 1, diversas outras foram desenvolvidas desde o princípio dos estudos de ebulição, seja esta convectiva ou em piscina. Cada uma das próximas correlações apresentadas tem a sua peculiaridade.
Em 1963, Berenson (1963) desenvolveu um modelo que buscava prever o momento em que a partida das bolhas se tornam colunas de vapor através do cálculo do fluxo de calor em função do ângulo de contato (θ) do líquido pela Equação 2.3.
q′′
Ber =0.11ρvhlvθ1/2 σg
ρl−ρv !1/4
(2.3) Outra correlação bem reconhecida é a de Forster e Zuber (1955). Nela são contabilizadas diferentes propriedades físico-químicas dos fluidos, dificultando suas análises
16 Capítulo 2. Revisão de Literatura devido ao alto número de combinações de unidades das propriedades possíveis, como pode ser visto na equação seguinte:
q′′ FZu =0.00122 k0.79l c0.45pl ρ0.49l σ0.5µ0.29l h0.24lv ρ0.24v [Tw−Tsat(Pl)]1.24∆Psat0.75 (2.4) onde ∆Psattrata-se da diferença de pressão saturada correspondente ao superaquecimento de parede (∆T).
Borishanskii (1969) propôs uma correlação para o fluxo de calor baseando-se na similaridade termodinâmica, apresentada a seguir:
q′′
Bor = {A(Pc)*[Tw−Tsat(Pl)][F(Pr)]}3.33 (2.5) onde F(Pr) e A(Pc)* são funções da pressão reduzida (Pr) e da pressão crítica (Pc), respectivamente. Estas variáveis foram propostas inicialmente por Mostinski (1963).
Baseando-se em análises dimensionais e curvas de ajustes ideais para dados experimentais, Stephan e Abdelsalam (1980) propuseram diferentes correlações ao fluxo de calor para diferentes fluidos de trabalho. A correlação especificamente proposta para a água é apresentada a seguir, onde C1é função da pressão da água.
q′′
SAb = {C1[Tw−Tsat(Pl)]}3.058 (2.6)
2.3 S
ÍNTESE
A Tabela 1 apresenta as publicações de trabalhos experimentais mais pertinentes para o presente estudo. Buscou-se sintetizar nas tabelas a seguir os trabalhos envolvendo as três grandes áreas de enfoque do experimento em análise: ebulição em piscina, nanofluidos e gravidade variável.
Para os estudos envolvendo apenas ebulição, destacam-se os que iniciaram os trabalhos experimentais e que até hoje são referência na área. Em se tratando de nanofluidos, trabalhos de caracterização indicaram o caminho para uma análise mais profunda destes novos fluidos de trabalho. Além disso, a literatura forneceu informações de fluidos e nanopartículas mais utilizados para concepção dos nanofluidos. Por fim, para análises envolvendo aceleração gravitacional variável, deu-se enfoque a trabalhos experimentais com conteúdos similares e também a trabalhos precursores em microgravidade dentro da universidade em que este projeto foi desenvolvido.
2.3.
Síntese
17
Tabela 1: Revisão de literatura de trabalhos envolvendo ebulição de fluidos puros e nanofluidos em gravidade variável ou não.
# Referência Fluido Base Nanopartículas Resultados
[1] Leidenfrost (1756) H2O - Observou o ponto de fluxo de calor mínimo, onde a
superfície de aquecimento está coberta por uma camada de vapor.
[2] Nukiyama (1934) H2O - Elaboração da curva característica da ebulição em piscina.
[3] Murshed, Leong e Yang (2005)
H2O TiO2 Aumento de 30% na condutividade térmica para
nanofluidos com partículas esféricas e 33% com partículas cilíndricas.
[4] Pak e Cho (1998) H2O TiO2e Al2O3 Aumento de 11% na condutividade térmica usando
partículas esféricas de 27 nm.
[5] Nguyen et al. (2008) H2O Al2O3 Viscosidade aumenta com a concentração e diminui com a
temperatura dos nanofluidos. [6] Mahbubul, Saidur e
Amalina (2012)
Etilenoglicol e H2O Al2O3 Tamanho das partículas influencia na viscosidade. [7] You, Kim e Kim (2003) DI H2O Al2O3 Aumento significativo no FCC com a concentração.
[8] Kim, Kim e Kim (2006) di H2O TiO2e Al2O3 Nanofluidos apresentaram 80% de aumento no FCC,
aumento na molhabilidade e redução do ângulo de contato devido a mudança na topografia da superfície aquecida. [9] Liang e Mudawar (2018) H2O Al2O3e Fe3O4 Existência de relação ótima de surfactantes que aumenta h.
Nanofluidos aumentam o FCC, a formação e a partida de bolha.
[10] Lee, Merte e
Chiaramonte (1998)
R-113 - Crescimento na taxa de transferência de calor em µG, mas decréscimo no FCC.
[11] Souza, Passos e Cardoso
(2013) n-Pentano - Redução de 20% no FCC em microgravidade.
[12] Slongo et al. (2019) - - Observação de envio e recebimento de dados por telemetria a bodo do VSB-30.
[13] Paiva, Mantelli e Slongo
18 Capítulo 2. Revisão de Literatura A Figura 4 tem como intuito mostrar, utilizando um diagrama de Venn, como se enquadra o presente estudo diante da literatura analisada. A intercessão entre as três grandes áreas apresenta uma lacuna que pretende-se preencher com este estudo. A literatura é limitada quanto a trabalhos experimentais da ebulição nucleada de nanofluidos em microgravidade. Neste sentido que enquadra-se o presente projeto, tendo o intuito de preencher lacunas dos comportamentos destes novos fluidos e buscar melhorar o entendimento do fenômeno da ebulição em piscina em microgravidade.
Figura 4: Diagrama de Venn sintetizando o posicionamento dos artigos de trabalhos experimentais analisados, também indicando a lacuna que pretende-se preencher com este trabalho.
Na próxima seção são apresentados os materiais e métodos utilizados para construção da plataforma experimental onde busca-se aprofundar os estudos relacionados a ebulição em piscina.
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3 M
ATERIAIS E
M
ÉTODOS
Este capítulo tem como intuito apresentar os métodos e materiais utilizados para desenvolver a plataforma experimental em análise. Tal plataforma foi desenvolvida buscando-se como característica a versatilidade. Desta forma, diversos ensaios de ebulição puderam ser realizados com facilidade e sem necessidade de complexas modificações. A rigor, são duas plataformas experimentais, sendo uma simples, comandada pelo usuário, e outra autônoma, necessitando-se de módulos extras para tal efeito. Houve a necessidade de utilizar duas configurações de testes, apresentadas a seguir, para validar a bancada estruturalmente, sendo os resultados das duas plataformas comparados entre si.
A plataforma experimental simplificada (PES) trata-se basicamente da conexão da parte experimental (Módulo de Pressão + Módulo Experimental) a uma unidade de aquisição, comutação e registro de dados específica, e a duas fontes de alimentação, sendo uma para os transdutores de pressão e outra para os resistores. A fonte, que dissipa a potência em cada um dos resistores, e o módulo experimental são totalmente controlados por um software configurável com visualização gráfica dos dados de temperatura, pressão e tensão.
A plataforma experimental autônoma (PEA) construída pode ser visualizada na Figura 5. Como pode ser observado,além dos dois módulos da plataforma experimental, estão presentes o módulo de baterias, o qual substitui as fontes de alimentação da outra plataforma, e o módulo com a eletrônica embarcada, que substitui a unidade de aquisição de dados. Todos os módulos são separáveis, sendo quatro relacionados à bancada experimental propriamente dita e outro, não presente nesta imagem, consiste de uma caixa de controle para simulação de sinais.
As dimensões da plataforma completa seguem as normas estabelecidas pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). Os limites recomendados são: massa total inferior a 45,0 kg, diâmetro externo inferior a 370 mm e altura máxima de 470 mm. Tendo em vista o limite de massa, o material utilizado para carcaça e partes metálicas de separação foi o alumínio. Esta escolha também se deve à compatibilidade com os materiais do possível foguete, segundo instruções do IAE. As dimensões foram estabelecidas em 230 mm de largura por 230 mm de comprimento e altura total de 470 mm. Assim sendo, a massa foi estimada em 25,0 kg.
3.1 S
EÇÃO EXPERIMENTAL
A parte experimental da plataforma está relacionada a dois dos módulos, o Módulo Experimental e o Módulo de Pressão. As duas bancadas, a simplificada e a autônoma, fazem uso desta seção, cada qual com sua forma de realizar a aquisição, o entendimento e a transferência dos dados coletados. A seguir são apresentados os módulos desta seção experimental.
