TÉCNICAS DE FABRICAÇÃO, MODELAGEM E TESTES DE TERMOSSIFÕES BIFÁSICOS DE SÓDIO – EFEITOS DE
GEYSER BOILING E DE PONTA FRIA
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Mecânica
Orientador: Profa. Marcia Barbosa Henriques Mantelli, PhD.
Coorientador: Prof. Fernando Henrique Milanez, Dr.
Florianópolis 2019
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Luis Hernán Rodríguez Cisterna
Técnicas de Fabricação, Modelagem e Testes de Termossifões Bifásicos de Sódio – Efeitos de Geyser Boiling e de Ponta Fria / Luis Hernán Rodríguez Cisterna; orientadora, Márcia Barbosa Henriques Mantelli ; coorientador, Fernando Henrique Milanez. - Florianópolis, SC, 2019. 203 p.
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Inclui referências
1. Engenharia Mecânica. 2. Termossifões bifásicos. 3.Sódio. 4. Alta temperatura. I. Mantelli, Márcia Barbosa Henriques . II. Milanez, Fernando Henrique. III. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. IV. Título
TÉCNICAS DE FABRICAÇÃO, MODELAGEM E TESTES DE TERMOSSIFÕES BIFÁSICOS DE SÓDIO – EFEITOS DE
GEYSER BOILING E DE PONTA FRIA
Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de “Doutor em Engenharia Mecânica”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Florianópolis, 11 de fevereiro de 2019.
________________________ Prof. Jonny Carlos da Silva, Dr.
Coordenador do Curso Banca Examinadora:
________________________
Prof.ª Marcia Barbosa Henriques Mantelli, PhD Orientadora
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Fernando Henrique Milanez, Dr.
Coorientador
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Enio Pedone Bandarra Filho, Dr.
Prof. Júlio César Passos, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Sérgio Colle, D.Sc. Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Vicente de Paulo Nicolau, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Dedicada para meu primeiro e único amor. O mais infantil, o mais ingênuo, o mais parceiro, o mais intenso, o mais gostoso. Talvez ninguém lembre de mim por este trabalho, mas com certeza lembrarão do muito que eu te amo Danielita.
“Porque, que é a vossa vida? É um vapor que aparece por um pouco, e depois se desvanece. ” (Tiago 4:14)
A não ser que você tenha uma máquina do tempo, é impossível voltar atrás. Lamentavelmente um dia a mais corresponde literalmente a um dia a menos. Portanto, acredito que não existe maior compromisso e carinho que aquele que doa parte do seu tempo (vida) de forma desinteressada para ajudar, seja colocando a mão na massa ou com um simples e sempre necessário “tranquilo, tudo vai dar certo”. Por esta razão, é muito difícil expressar em palavras a imensa gratidão que sinto, e muito mais difícil fazer uma lista com nomes sem ofender alguém pelo esquecimento. Assim, no completo amadorismo que me caracteriza, submetendo-me apenas às regras do coração, agradeço a você que está pensando “Poxa este cara está falando de mim”, pensamento que com certeza foi motivado pelo grande carinho que a gente se tem. De qualquer forma, de modo genérico, porém sincero, agradeço a meu Deus todo poderoso, minha amada esposa, minha mamita linda, meu pai na lembrança, minha cuñadita, minha família, meus irmãos em cristo, minha querida mentora, meus professores, meus amigos e colegas, meus financiadores, e finalmente e não menos importante, meus queridos e sempre fiéis IC’s. Obrigado a todos! É claro que a gente conquistou isto junto, com a alegria de quem faz o que realmente ama fazer.
Normalmente, ciclos de potência de alta temperatura como o ciclo Brayton e o ciclo Stirling são utilizados em sistemas Concentrated Solar Power com coletores térmicos do tipo torre de aquecimento e disco parabólico respectivamente. Estes ciclos operam a temperaturas na faixa de 700 a 1000 ºC. A componente chave deste tipo de sistema é o receptor solar de alta temperatura, onde a energia térmica solar concentrada é absorvida e transferida para um gás pressurizado, o qual é utilizado no ciclo de potência. A tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho se apresenta, segundo as referências bibliográficas, como uma alternativa no projeto de receptores deste tipo de plantas solares. Contudo, para a industrialização deste tipo de dispositivo, é necessário contar com processos de fabricação de termossifões que garantam bom desempenho do dispositivo, segurança durante a manipulação e baixo custo de implementação. Além disso, é necessário o conhecimento dos principais parâmetros que influenciam o seu desempenho. Portanto, neste trabalho desenvolveu-se um novo dispositivo e procedimento de carregamento de termossifões de sódio, o qual se apresenta viável para a fabricação de termossifões com sódio visando aplicações industriais, devido principalmente ao bom desempenho apresentado no termossifão, à segurança de manipulação e ao baixo custo de implementação. Ademais, propõe-se uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na ebulição em piscina e uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na condensação que se ajustam aos dados experimentais obtidos neste trabalho. São propostos também modelos matemáticos para estimar o fluxos de calor mínimos necessários para entrar e para sair da região de Geyser Boiling em termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho. Finalmente, se apresentam três modelos matemáticos que permitem determinar o limite de startup, o limite do contínuo, o perfil de temperatura ao longo do condensador quando o termossifão opera com ponta fria. Os resultados obtidos em todos os modelos desenvolvidos apresentam boa concordância com os dados experimentais, mostrando que os modelos propostos podem ser utilizados em projetos de engenharia envolvendo termossifões com sódio, visando ao desenvolvimento de processos de industrialização confiáveis e seguros.
Palavras-chave: sódio, termossifão bifásico, alta temperatura, ebulição, condensação, Geyser Boiling, ponta fria.
Typically, high temperature power cycles such as the Brayton cycle and the Stirling cycle are used in Concentrated Solar Power (CSP) systems with heating tower type and parabolic disk thermal collectors respectively. These cycles operate with a temperature range of 700 to 1000 ° C. The key component of this type of system is the high temperature solar receiver, where the concentrated solar thermal energy is absorbed and transferred to a pressurized gas, which is used in the power cycle. The technology of two phase thermosyphons operating with sodium as working fluid presents itself, according to specialized literature, as an alternative in the design of receivers of this solar plant type. However, for industrialization of this type of device, it is necessary to have thermosyphon manufacturing processes that guarantee good device performance, safety during handling and low implementation cost. In addition, it is necessary to know the main parameters that influence its performance. Therefore, a new device and procedure for the loading of sodium thermosyphons was developed, which is feasible for the production of thermosyphons with sodium for industrial applications, mainly due to the good performance presented in the thermosyphon, the safety during handling and the low implementation cost. Furthermore, a correlation is proposed for the pool boiling heat transfer coefficient and a correlation for the film condensation heat transfer coefficient that adjust to the experimental data obtained in this work. Also mathematical models are proposed to estimate the minimum heat fluxes required to enter and leave the Geyser Boiling region in two phase thermosyphons operating with sodium as working fluid. Finally, three mathematical models are presented that allow determining the startup limit, the continuum limit, and the temperature profile along the condenser when the thermosyphon operates with a cold tip. The results obtained in all the developed models show good agreement with the experimental data, showing that the proposed models can be used in engineering projects involving thermosyphons with sodium, aiming the development of reliable and safe industrialization processes.
Keywords: sodium, two phase thermosyphon, high temperature, boiling, condensation, Geyser Boiling, cold tip.
Figura 1-1: a) Sistema híbrido disco parabólico acoplado a um motor Stirling. b) Trocador de calor assistidos por termossifões com sódio como fluido de trabalho. Adaptado de [13]. ... 31 Figura 1-2: Experimentos realizados no LABTUCAL no
desenvolvimento de receptores solares assistidos com termossifões de sódio. ... 33 Figura 2-1: a) Termossifão utilizado para carregamentos com sódio em
estado líquido (Termossifão A); b) Termossifão utilizado para carregamentos com sódio em estado sólido (Termossifão B). ... 45 Figura 2-2: a) Sódio carregado em atmosfera não controlada; b) Sódio
carregado em atmosfera controlada ... 47 Figura 2-3: Esquema simplificado do sistema de carregamento de sódio
em estado líquido proposto neste trabalho. (1) umbilical para vácuo do reservatório de sódio; (2) visor de vidro; (3) umbilical para entrada de Argônio; (4) sódio em estado sólido; (5) grelha; (6) filtro; (7) válvula de esfera; (8) umbilical para vácuo do Tubo Y e Termossifão; (9) Tubo Y; (10) mangueira de silicone; (11) umbilical do Termossifão; (12) Termossifão. ... 48 Figura 2-4: Carregador de sódio: a) Reservatório com o sódio em estado
sólido; b) Reservatório com o sódio começando a fundir; c) Tubo Y e termossifão acoplados no interior do forno de aquecimento... 51 Figura 2-5: a) Hidróxido de sódio depositado na grelha de cobre após o
processo de carregamento; b) Filtro com impurezas após o carregamento. ... 52 Figura 2-6: Esquema simplificado dos termossifões testados: (1) Tubo de
21,3 mm de diâmetro; (2) Sensor de pressão de alto vácuo; (3) Umbilical de 6,35 mm do termossifão utilizado para carregamento de sódio em estado líquido; (4) Adaptador de teflon com mangueira de silicone, utilizado para os termossifões carregados com sódio no estado sólido. ... 53 Figura 2-7: Esmagadores utilizados no processo de fechamento ... 54 Figura 2-8: a) Esquema do processo de fechamento do termossifão A; b)
Esquema do processo de fechamento do termossifão B; c) Termossifões após o fechamento. ... 55 Figura 2-9: a) Aquecimento do termossifão IT para realizar o processo de
carregamento ideal do termossifão IT onde: (1) Termossifão; (2) umbilical de carregamento; (3) umbilical de purga e vácuo; (4) válvula de esfera; (5) sensor de pressão; (6) reservatório de gases não condensáveis; (7) válvula de esfera;
(8) umbilical para vácuo do sistema. ... 56
Figura 2-10: Sódio presente na válvula, no umbilical e no reservatório de GNC do termossifão IT. ... 58
Figura 2-11: a) Termossifões de aço inoxidável AISI 316L operando no forno de indução. b) Distribuição dos termopares ao longo do termossifão, e discretização do condensador para o cálculo do calor transferido no termossifão. ... 59
Figura 2-12: a) Bancada experimental utilizada para determinar a emissividade dos termossifões. b) Emissividade em função da temperatura dos termossifões estudados neste trabalho. .... 63
Figura 2-13: Tubos de vidro carregados com sódio ... 64
Figura 2-14: a) Tubo C1a antes de iniciar o processo de fundição do sódio. b) Aumento da pressão interna do tubo. c) Explosão do tubo devido ao contado do gás hidrogênio com o ar atmosférico. ... 65
Figura 2-15: Comparação do desempenho de cada um dos termossifões estudados. ... 66
Figura 2-16: Transiente de temperatura do termossifão C1. ... 68
Figura 2-17: Transiente de temperatura termossifão C2. ... 69
Figura 2-18: Transiente de temperatura do termossifão C3. ... 71
Figura 2-19: Transiente de temperatura do termossifão C4. ... 72
Figura 2-20: Transiente de temperatura do termossifão IT. ... 72
Figura 3-1: Esquema simplificado da analogia de resistências térmicas para projeto de termossifões bifásicos ... 85
Figura 3-2: a) Termossifões de aço inoxidável 316L operando no forno de indução. ... 92
Figura 3-3: Transiente de temperatura do termossifão T8g (RE=0,32). 96 Figura 3-4: Transiente de temperatura do termossifãoT17g (RE=0,69). ... 97
Figura 3-5: Transiente de temperatura do termossifão T24g (RE=0,96). ... 97
Figura 3-6: Transiente de temperatura do termossifão T36g (RE=1,44). ... 98
Figura 3-7: Comparação do desempenho de cada um dos termossifões estudados. ... 99
de calor. ... 100 Figura 3-9: Diferença entre a temperatura de vapor e a temperatura média
da parede do condensador em função da taxa de transferência de calor. ... 101 Figura 3-10: Análise dos limites operacionais nos termossifões testados ... 102 Figura 3-11: a) Termossifão T8g operando no limite de secagem. b)
Evaporador do termossifão T8g durante o limite de secagem. c) Formato interno das paredes do evaporador. ... 103 Figura 3-12: Comparação entre os dados experimentais e as correlações
do coeficiente de transferência de calor no evaporador .... 104 Figura 3-13: Comparação entre os dados experimentais e as correlações
do coeficiente de transferência de calor no condensador . 105 Figura 3-14: Comparação entre os dados experimentais e o modelo
proposto para o coeficiente de transferência de calor no evaporador. ... 111 Figura 3-15: Razão entre o coeficiente de transferência de calor
experimental e teórico no evaporador. ... 112 Figura 3-16: Comparação entre os dados experimentais e o modelo
proposto para o coeficiente de transferência de calor no condensador. ... 113 Figura 3-17: Relação entre os coeficientes de transferência de calor
experimentais e teóricos no condensador. ... 114 Figura 4-1: Ranhura formada pelo o esmagamento das paredes da base
do termossifão. ... 127 Figura 4-2: a) Termossifões de aço inoxidável 316L operando no forno
de indução. b) Distribuição dos termopares ao longo do termossifão. ... 129 Figura 4-3: Esquema simplificado da partida de uma bolha em uma
termossifão bifásico. a) Balanço de forças na saída. b) Balanço de pressões durante a formação de bolha. ... 131 Figura 4-4: Esquema simplificado da partida de uma bolha em uma
termossifão bifásico com diferente razão de enchimento . 133 Figura 4-5: Esquema simplificado do crescimento da bolha durante a
ascensão até a superfície da piscina. ... 136 Figura 4-6: Transiente de temperatura do termossifão com 69% de razão
de enchimento... 141 Figura 4-7: Transiente de temperatura do termossifão com 96% de razão
Figura 4-8: Transiente de temperatura do termossifão com 144% de razão de enchimento ... 142 Figura 4-9: Taxa de transferência de calor em função do
superaquecimento da parede do evaporador devido ao efeito GB para os diferentes fatores de enchimento ... 143 Figura 4-10: Variação da temperatura do condensador em função do
tempo durante o fenômeno Geyser Boiling no termossifão com 144% de razão de enchimento ... 144 Figura 4-11: Passagem da Região de Aleta direto para a Região Ideal no
termossifão com 144% de razão de enchimento. a) Condensador b) Evaporador. ... 145 Figura 4-12: Resultados do modelo proposto para estimativa da região de
GB. ... 145 Figura 5-1: Esquema do início de operação de um tubo de calor operando
com metal líquido como fluido de trabalho. (Adaptado de [10]) ... 158 Figura 5-2: Analogia entre um termossifão sem condensador e um sistema
pistão-cilindro ... 162 Figura 5-3: Analogia entre um termossifão convencional e um sistema
pistão-cilindro ... 162 Figura 5-4: Esquema simplificado da simplificação do condensador do
termossifão com uma aleta térmica. ... 163 Figura 5-5: Esquema simplificado para a modelagem do fenômeno de
ponta fria utilizando resistências térmicas... 168 Figura 5-6: a) Termossifões de aço inoxidável 316L operando no forno
de indução. b) Distribuição dos termopares ao longo do termossifão. ... 175 Figura 5-7: Resultados experimentais e limites de startup e contínuo 177 Figura 5-8: Condensador do termossifão T17g. a) operando a 40,5 W. b)
operando a 293,2 [W]. c) operando a 508,2 [W] ... 178 Figura 5-9: a) Aquecimento do termossifão T17g para realizar o processo
de purga. b) Sódio presente no umbilical que conecta o termossifão com o reservatório de GNC.c) Termossifão T17g operando a 1135 [W] após o processo de purga. d) umbilical com vapor de sódio ... 179 Figura 5-10: Comparação entre os perfis de temperatura experimentais do
termossifão T17g e o modelo proposto ... 181 Figura 5-11: Comparação entre os perfis de temperatura experimentais do
T24g ... 182 Figura A.13: a) Bancada experimental utilizada para determinar a
emissividade dos termossifões. b) Emissividade em função da temperatura dos termossifões estudados neste trabalho. .. 201
Tabela 2-1: Pontos de fusão e de ebulição do sódio e do hidróxido de sódio à pressão atmosférica ... 41 Tabela 2-2: Classificação dos termossifões segundo o tipo de
carregamento ... 45 Tabela 2-3: Forças aplicadas nos termossifões na prensa hidráulica. ... 54 Tabela 2-4: Resultados do aumento de pressão para cada fechamento
estudado ... 55 Tabela 2-5: Temperatura de início de operação (startup) dos termossifões
testados ... 67 Tabela 2-6: Taxas de calor transferidas pelos termossifões testados .... 67 Tabela 3-1: Correlações da literatura para ebulição em piscina utilizadas
para comparar os dados experimentais ... 87 Tabela 3-2: Correlações da literatura para condensação em película
utilizadas para comparar os dados experimentais ... 89 Tabela 3-3: Correlações da literatura para limites operacionais ... 90 Tabela 3-4: Classificação dos termossifões segundo a massa e razão de
enchimento ... 91 Tabela 3-5: Temperaturas de início de operação ... 95 Tabela 3-6: Taxas de calor transferidas pelos termossifões testados .... 95 Tabela 4-1: Parâmetros que afetam a ocorrência de Geyser Boiling... 125 Tabela 4-2: Nomenclatura dos termossifões segundo a massa e a razão de
enchimento ... 128 Tabela 4-3: Taxas de calor transferidas pelos termossifões testados .. 140 Tabela 4-4: Taxa de calor para o início e fim do fenômeno de GB... 144 Tabela 5-1: Classificação dos termossifões segundo a massa e razão de
enchimento ... 173 Tabela 5-2: Temperaturas de início de operação ... 177 Tabela 5-3: Taxas de calor transferidas pelos termossifões testados .. 180
1. INTRODUÇÃO ... 27 1.1 MOTIVAÇÃO ... 31 1.2 OBJETIVOS ... 34 1.3 ESTRUTURA DA TESE ... 35 1.4 REFERÊNCIAS CAPÍTULO 1 ... 36
2 TECNOLOGIA DE CARREGAMENTO PARA
TERMOSSIFÕES DE SÓDIO ... 39 RESUMO ... 39 2.1 INTRODUÇÃO ... 40 2.2 METODOLOGIA E BANCADA EXPERIMENTAL ... 43 2.2.1 Fabricação dos termossifões ... 44 2.2.2 Limpeza e teste de vazamento ... 45 2.2.3 Ambiente do carregamento ... 46 2.2.4 Carregamento de sódio em estado sólido ... 47 2.2.5 Carregamento de sódio em estado líquido ... 48 2.2.6 Fechamento dos termossifões ... 52 2.2.7 Procedimento de carregamento ideal ... 56 2.2.8 Desempenho dos termossifões ... 59 2.3 RESULTADOS ... 63 2.3.1 Análise visual das impurezas do sódio no carregamento . 64 2.3.2 Análise do desempenho dos termossifões ... 65 2.4 CONCLUSÕES ... 74 2.5 NOMENCLATURA ... 76 2.6 REFERÊNCIAS CAPÍTULO 2 ... 77
3 ESTUDOS EXPERIMENTAIS E TEÓRICOS SOBRE
TERMOSSIFÕES BIFÁSICOS OPERANDO COM SÓDIO ... 81 RESUMO ... 81
3.1 INTRODUÇÃO ... 81 3.2 ESTUDO EXPERIMENTAL ... 90 3.2.1 Fabricação dos termossifões... 90 3.2.2 Bancada Experimental ... 91 3.2.3 Coeficientes de transferência de calor experimentais do
termossifão ... 93 3.3 RESULTADOS ... 94 3.3.1 Análise dos resultados experimentais ... 94 3.3.2 Comparação entre os coeficientes de transferência de calor
experimentais e as correlações da literatura ... 103 3.3.3 Correlação proposta ... 106 3.4 SUMÁRIO E CONCLUSÕES ... 115 3.5 NOMENCLATURA ... 116 3.6 REFERÊNCIAS CAPÍTULO 3 ... 117
4 MODELOS ANALÍTICOS PARA GEYSER BOILING
EM TERMOSSIFÕES COM SÓDIO ... 123 RESUMO ... 123 4.1 INTRODUÇÃO ... 123 4.2 METODOLOGIA E BANCADA EXPERIMENTAL ... 127 4.2.1 Fabricação dos termossifões... 127 4.2.2 Desempenho dos termossifões ... 128 4.3 MODELOS ANALÍTICOS ... 130 4.4 RESULTADOS ... 138 4.5 SUMÁRIO E CONCLUSÕES ... 146 4.6 NOMENCLATURA ... 147 4.7 REFERÊNCIAS CAPÍTULO 4 ... 149
5 MODELAGEM DO FENÔMENO DE PONTA FRIA EM
TERMOSSIFÕES DE SÓDIO... 153 RESUMO ... 153 5.1 INTRODUÇÃO ... 153 5.2 MODELO ANALÍTICO ... 160
5.3 ESTUDO EXPERIMENTAL ... 173 5.3.1 Bancada Experimental... 173 5.4 RESULTADOS ... 176 5.5 CONCLUSÕES ... 183 5.6 NOMENCLATURA ... 184 5.7 REFERÊNCIAS CAPÍTULO 5 ... 185 6 CONTRIBUIÇÕES E RECOMENDAÇÕES ... 189 6.1 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 2 ... 189 6.2 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 3 ... 191 6.3 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 4 ... 192 6.4 CONTRIBUIÇÃO DO CAPÍTULO 5 ... 193 6.5 RECOMENDAÇÕES DE TRABALHOS FUTUROS ... 195 ANEXO A – ANÁLISE DE INCERTEZAS ... 197
1. ESTIMATIVA DA INCERTEZA DA TAXA DE CALOR
POR RADIAÇÃO E CONVECÇÃO NATURAL ... 197 2. ESTIMATIVA DA INCERTEZA DO COEFICIENTE DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR NO EVAPORADOR E NO CONDENSADOR ... 201 3. REFERÊNCIAS ANEXO A ... 203
1. INTRODUÇÃO
A diversificação da matriz energética é fundamental no aumento da segurança de abastecimento de eletricidade e no crescimento sustentável de um país. Atualmente, usinas hidrelétricas são responsáveis por cerca de 70% da matriz energética brasileira. Embora a geração hidrelétrica seja altamente vantajosa, uma vez que provém de um recurso renovável, esta é altamente dependente das condições hidrológicas [1]. De acordo com dados da ANEEL, apenas 0,84% da energia gerada no país provém de aplicações solares. Destas, a grande maioria está focada em centrais geradoras fotovoltaicas [2]. Uma alternativa para a geração de energias limpas e renováveis é a utilização de CSP (Concentrated Solar Power), capazes de gerar energia elétrica a partir da energia térmica absorvida do sol.
Devido à sua localização e extensão territorial, o Brasil possui um elevado potencial solar, com irradiação global média anual entre 1.200 e 2.400 kWh/m² [3]. Segundo Cardemil et al. [4], possíveis locais para a instalação de tais plantas no Brasil são a bacia do rio São Francisco e área de Sobradinho, na região Nordeste do país. Embora o alto nível de umidade relativa do ar nestes locais contraste claramente com o clima seco e de deserto onde habitualmente são instaladas estas usinas, os valores anuais da Irradiação Normal Direta (DNI) fundamentais neste tipo de instalação, estão na faixa de 1800 a 2300 kWh/m2. Estes valores estão
acima dos valores registrados em países pioneiros neste tipo de tecnologia, como Alemanha e Espanha, onde os valores variam nas faixas de 900-1.250 e 1.200-1.850 kWh/m², respectivamente. Isso mostra claramente o grande potencial que tem o Brasil para a aplicação deste tipo de tecnologia. Contudo, até o momento, não há nenhuma planta de produção de energia utilizando CSP em funcionamento no Brasil.
Uma CSP é basicamente um sistema que transforma a energia térmica solar em energia elétrica, através de um fluido de trabalho num ciclo de potência. Este sistema é formado por dois componentes principais: o coletor térmico e o ciclo de potência. Alguns destes sistemas também incorporam sistemas de armazenagem, que permite o seu funcionamento durante dias nublados e à noite [5]. O principal desafio na concepção destes sistemas é a correta seleção da temperatura de operação, já que a eficiência do ciclo de potência está diretamente relacionada à temperatura de operação [5]. Há um consenso em toda a comunidade CSP que as plantas de energia solar podem desempenhar um papel importante no futuro energético mundial. A visão está fundamentada na possibilidade de que estes equipamentos possam transferir eficientemente a energia
térmica a um fluido de trabalho que será empregado em ciclos de potência [6].
Ciclos de potência a alta temperatura, como os ciclos Brayton e Stirling, são habitualmente utilizados em CSPs, com coletores térmicos do tipo torre de aquecimento e disco parabólico, respectivamente, os quais operam a temperaturas na faixa de 700 a 1000 ºC. A operação híbrida, isto é, a integração da CSP em usinas convencionais de energia com base em combustíveis fósseis e biomassas, apresenta um grande potencial para a redução de custos da eletricidade a médio prazo. A componente chave deste tipo de sistema é o receptor solar de alta temperatura, onde a energia térmica solar concentrada é absorvida e transferida para um gás pressurizado, o qual é utilizado no bloco de potência [5]. Nesse contexto, a tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho se apresenta como uma alternativa ideal para ser utilizada como receptor solar neste tipo de aplicação, uma vez que trocadores de calor assistidos por esta tecnologia podem apresentar grande flexibilidade geométrica, que permite facilmente a operação híbrida, garantindo o funcionamento contínuo da CSP.
Termossifões bifásicos são dispositivos altamente eficientes que, em sua forma mais simples, são formados por um tubo oco, em geral metálico, evacuado, que contém um fluido de trabalho, que opera em um ciclo fechado de evaporação e condensação. O fluido de trabalho do termossifão, ao receber calor de uma fonte externa, evapora. A pressão de vapor gerada transporta o fluido através da seção adiabática até o condensador. Ao atingir a região do condensador, o fluido é resfriado pelo invólucro do termossifão, sendo condensado e retornado, sob efeito da gravidade, para a região do evaporador. Assim, neste tipo de dispositivo, o evaporador deve ser posicionado sempre abaixo do condensador. No caso de tubos de calor, o retorno do fluido de trabalho do condensador ao evaporador se dá pelo efeito de bombeamento capilar, resultante do escoamento do fluido por um meio poroso, que reveste as paredes internas do dispositivo, de forma que o tubo de calor pode operar independentemente da posição do evaporador [7].
Diferentes trabalhos na literatura relatam a aplicação de tubos de calor e termossifões em coletores solares de alta temperatura, geralmente utilizando sódio como fluido de trabalho [6], [8] – [22]. Existem outros trabalhos que abordam a aplicação deste tipo de dispositivo em sistemas de armazenagem de energia térmica [23] – [26]. A grande maioria de receptores apresentados nestes trabalhos utilizam tubos de calor como dispositivo de troca térmica. O principal desafio envolvendo o uso de tubos de calor é a limitada capacidade do meio poroso em prover o
bombeamento capilar necessário, tendo em vista as grandes dimensões das torres de aquecimento. Maior capacidade de bombeamento capilar leva ao emprego de poros menores, porém à custa de perdas na vazão devido à limitada permeabilidade do meio poroso. Diferentes pesquisadores desenvolvem e otimizam este tipo de estruturas porosas, visando a sua aplicação em tubos de calor em torres de aquecimento [21].
Em algumas aplicações, o meio poroso não é responsável pelo retorno do condensado ao evaporador e só é utilizado para distribuir o sódio em estado líquido em toda a superfície da cavidade receptora, como relatado em [19], que reporta que a energia solar redirecionada é absorvida na superfície receptora e utilizada para evaporar o sódio contido no meio poroso. As temperaturas de operação do fluido de trabalho ficam na faixa de 700 a 850 °C. O vapor gerado se desloca internamente até um arranjo de tubos que aquecem o gás do ciclo de potência. Durante este processo de transferência de calor, o vapor de sódio se condensa voltando, devido à ação da gravidade, até o evaporador do tubo de calor. A grande vantagem da utilização de tubos de calor neste tipo de tecnologia está no alto grau de uniformidade das temperaturas no interior do receptor. Isto se deve ao fato que, durante toda a operação, o vapor de sódio se distribui ao longo de toda a face interna da superfície receptora, adequando o sistema aos requisitos de operação do ciclo de potência, ao mesmo tempo em que minimiza as tensões térmicas no material do equipamento. Porém, a utilização de meios porosos encarece o custo de fabricação do tubo de calor.
Uma alternativa à utilização do meio poroso na face interna da placa receptora de energia solar foi avaliada nos experimentos realizados pelo Laboratório Nacional de Sandia (LNS) [16] para um sistema com disco parabólico – Stirling. Nesta configuração, o meio poroso é substituído por uma piscina de sódio, o qual inunda internamente toda a placa receptora, independentemente da posição do disco parabólico. Os autores de [16] deram especial atenção ao limite operacional de arrasto e à instabilidade do processo de ebulição nucleada na piscina de sódio. A maior dificuldade encontrada neste desenvolvimento foi lidar com o superaquecimento da parede no início do processo de ebulição nucleada, o qual era muito maior do que o necessário para manter a ebulição. Métodos passivos e ativos para controlar este problema foram sugeridos, onde o mais promissor foi a adição de pequenas quantidades de um gás inerte pesado (Xenon) no interior da região ocupada pelo vapor de sódio. Isto proporcionou o surgimento de bolhas de vapor com menores temperaturas de parede e, consequentemente, um início de operação com um baixo superaquecimento, além de um funcionamento estável. Outra solução
proposta para o problema de superaquecimento no início de operação foi a criação de sítios de nucleação na superfície receptora, no entanto este caminho não apresentou bons resultados. Testes em escala laboratorial mostraram que o fluxo de calor crítico (início da ebulição em película) necessário ao início da ebulição na placa sem meio poroso era muito alto, de cerca de 70 W/cm2, o que representa um grave problema de segurança
e que não era observado nas placas revestidas com meio poroso. Desta forma, os esforços no desenvolvimento de receptores que utilizam sódio em mudança de fase desde então seguem focados na utilização de tubos de calor, uma vez que foi demonstrado seu alto desempenho e confiabilidade neste tipo de aplicação [16].
O laboratório de tubos de calor da Universidade Federal de Santa Catarina, LABTUCAL, em parceria com a empresa sueca Cleanergy, desenvolveu um protótipo de coletor híbrido para ser empregado em discos parabólicos acoplados a um motor Stirling (Figura 1-1). Neste sistema, um trocador de calor assistido pela tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho foi utilizado para absorver a energia solar concentrada pelo disco parabólico e transferir o calor para o hélio, que é empregado na operação do motor Stirling (Figura 1-1). Testes preliminares realizados pela empresa Cleanergy mostraram resultados altamente satisfatórios em relação da aplicabilidade da tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho em sistemas do tipo disco parabólico acoplados a um motor Stirling. Uhlmann e Mantelli [13] projetaram e fabricaram os termossifões, o quais foram submetidos a uma série de testes para avaliar o seu desempenho. Dentre os vários termossifões fabricados a partir de tubos de Inconel 600, com diâmetro externo de 21,34 mm e espessura de parede de 1,65 mm, o que demonstrou melhor desempenho térmico foi o carregado com 62,1 g de sódio. O objetivo deste estudo experimental foi analisar a influência, na eficiência da troca de calor, da posição axial da fonte de calor (que, na verdade, define a região do evaporador), da inclinação do termossifão e de diferentes configurações do condensador. A partir dos resultados experimentais, os autores concluíram que: o termossifão consegue operar corretamente em níveis elevados de temperatura (secção adiabática acima de 1000 K); o termossifão pode trabalhar em condições de inundação (quando o volume do fluido de trabalho é maior do que o volume secção do evaporador); embora o uso de toda a área externa do condensador para rejeitar o calor seja mais eficiente, é possível arrefecer o condensador através de uma serpentina de cobre em formato semicircular, ou seja, empregando metade desta área; o termossifão é mais eficiente quando opera com uma inclinação de
trabalho de 10° do que quando se encontra na posição vertical. Note-se que todo o equipamento opera em diferentes inclinações visando acompanhar o sol, durante o dia.
a) b)
Figura 1-1: a) Sistema híbrido disco parabólico acoplado a um motor Stirling. b) Trocador de calor assistidos por termossifões com sódio como fluido de trabalho.
Adaptado de [13].
Os bons resultados obtidos no LABTUCAL com os trabalhos com termossifões com sódio como fluido de trabalho, sugerem que é possível aplicar este tipo de dispositivo em CSP de torre. Desta forma, acredita-se que os esforços devem ser concentrados primeiramente no entendimento dos principais fenômenos que acontecem durante a operação deste tipo de dispositivo, visando posteriormente a sua aplicação industrial.
1.1 MOTIVAÇÃO
Apesar de o mercado mundial de CSP estar menos consolidado do que a maioria dos outros mercados de energia renovável, o setor continua em forte crescimento por mais de uma década. A capacidade mundial de geração apresentou um aumento aproximado de 27% durante o último ano [2]. A implantação e o crescimento de CSPs dependem da relação custo-benefício desta tecnologia quando comparada à outras tecnologias de conversão de energia. Neste contexto, uma série de iniciativas e estudos vêm sendo realizados em vários países do mundo. Embora estas difiram na sua abordagem e nível de financiamento, todas compartilham um objetivo em comum: tornar a tecnologia mais competitiva, aumentando a eficiência de conversão de energia e mantendo ou reduzindo o investimento inicial [4]. De acordo com [27], as CSPs do tipo torre estão sendo consideradas as tecnologias mais promissoras, devido ao fato de operarem em altas temperatura, que permitem ciclos de
potência mais eficientes. Porém, os custos de investimento para este tipo de sistema são altos, principalmente os associados ao campo de helióstatos e do receptor solar.
Como já foi mencionado anteriormente, até o momento, não há nenhuma planta de produção de energia utilizando CSP em funcionamento no Brasil. Porém, existem dois projetos em andamento: uma planta experimental da USP no Campus de Pirassununga e outra no Nordeste, ainda com local exato a definir. Em ambos os projetos, o receptor solar foi importado, uma vez que não existem empresas brasileiras que desenvolvam este tipo de tecnologia. O alto custo associado ao receptor representa a principal fatia de investimento do projeto. Porém, o governo brasileiro tem fomentado o desenvolvimento destas tecnologias no pais, exigindo que certa porcentagem dos componentes que envolvem o sistema seja fabricada no Brasil. Desta forma, pode-se afirmar que o desenvolvimento de receptores solares com tecnologia brasileira poderá ajudar a acelerar a implementação deste tipo de sistema no país.
O LABTUCAL, a partir da experiência obtida no desenvolvimento do protótipo do sistema híbrido do tipo disco parabólico acoplados a um motor Stirling, realizado em parceria com a empresa Sueca Cleanergy, atualmente está desenvolvendo um receptor solar híbrido assistido pela tecnologia de termossifões bifásicos, operando com sódio como fluido de trabalho, para ser utilizado em plantas CSP do tipo torre. O receptor pode utilizar tanto radiação solar, quanto calor proveniente da queima de biomassa ou biogás. A Figura 1-2 mostra a bancada experimental que está sendo utilizada para o desenvolvimento desta tecnologia. Contudo, para a industrialização deste tipo de tecnologia, é necessário o conhecimento dos principais parâmetros que influenciam o seu desempenho, ou seja, necessita-se de modelos matemáticos que permitam predizer o comportamento dos termossifões bifásicos, de maneira que projetos de engenharia envolvendo este tipo de dispositivo operando com sódio como fluido de trabalho sejam confiáveis e seguros.
Experimentos preliminares realizados no LABTUCAL, constataram que os termossifões de sódio eram afetados com grandes oscilações em alguns níveis de potência transferida. Estas oscilações foram associadas ao fenômeno do Geyser Boiling (GB). Este fenômeno é caracterizado pela formação de bolhas de vapor com diâmetros equivalentes ao diâmetro interno do termossifão, que, após a partida, é impulsionada violentamente em direção à extremidade do condensador, carregando uma quantidade de líquido. Este fenômeno é bastante prejudicial ao termossifão, podendo causar danos estruturais ao dispositivo em que o termossifão está inserido,
ou vazamentos de sódio a altas temperaturas. Deve-se, portanto, evitar o GB sempre que possível. Um dos fatores que influencia fortemente o GB, além da geometria do termossifão, é a quantidade de fluido de trabalho. Além disto, ela influencia consideravelmente o desempenho de um termossifão, isto é, a sua capacidade de transferir calor. Por um lado, fluido de trabalho em excesso pode intensificar o GB. Por outro lado, quantidades muito pequenas podem causar a secagem do tubo, criando regiões com alto superaquecimento nas superfícies dos evaporadores.
Figura 1-2: Experimentos realizados no LABTUCAL no desenvolvimento de receptores solares assistidos com termossifões de sódio.
Assim, na presente tese de doutorado pretende-se estudar teórica e experimentalmente o efeito da quantidade de sódio no termossifão no início de operação e o superaquecimento da parede do evaporador, observado em [16]. Além disso, serão estudados outros fenômenos observados neste tipo de dispositivo, como o GB, o qual, na realidade, representa uma instabilidade do processo de ebulição em piscina que gera grandes oscilações na temperatura do evaporador e condensador, assim como grandes diferenças de temperaturas entre parede do evaporador e o vapor, durante o processo de formação de bolhas. Outro fenômeno
estudado refere-se a ponta fria, a qual é caracterizada por um alto gradiente de temperatura ao longo do condensador, devido ao escoamento de vapor no regime molecular. Ambos os fenômenos acontecem quando baixos fluxos de calor são impostos ao termossifão. Por outro lado, altos fluxos de calor podem levar o termossifão a atingir um dos limites operacionais, os quais devem ser analisados. Além disso, foi desenvolvido e será apresentado, um processo de fabricação que permite carregamentos de termossifões de sódio com segurança e sem impurezas, visando à industrialização destes dispositivos. Finalmente, são propostos modelos para avaliar os diferentes regimes de operação de termossifões bifásicos e correlações baseadas em dados experimentais para os coeficientes de transferência de calor no evaporador e condensador.
1.2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo geral estudar os principais fenômenos físicos associados à operação de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho e visando sua aplicação em receptores solares de alta temperatura (700 a 1000 ºC). Para isto, são estabelecidos os seguintes objetivos específicos:
Desenvolver um processo de carregamento de termossifões operando com sódio que praticamente elimine a formação de impurezas e geração de gases não condensáveis, garantindo o máximo desempenho e segurança do dispositivo.
Estudar experimentalmente o efeito da razão de enchimento no desempenho dos termossifões de sódio e a influência nos fenômenos GB e ponta fria.
Desenvolver correlações para os coeficientes de transferência de calor no evaporador e no condensador que levem em conta os fenômenos mencionados anteriormente
Desenvolver um modelo teórico que permita prever as condições para que ocorra o GB em termossifões de sódio.
Desenvolver um modelo teórico que permita prever as condições para que ocorra ponta fria em termossifões de sódio.
1.3 ESTRUTURA DA TESE
Este trabalho é formado por seis capítulos, dos quais com exceção dos Capítulos 1 e 6, estão estruturados em forma de artigos. Os capítulos, com forma de artigo possuem a seguinte estrutura: introdução, metodologia de abordagem do problema, resultados e conclusões. A seguir é apresentado o resumo de cada um dos capítulos propostos nesta tese:
Capítulo 1 – Neste capítulo é apresentada uma contextualização e motivação do desenvolvimento desta tese, apresentando os objetivos do presente trabalho.
Capítulo 2 – Neste capítulo, um dispositivo de carregamento é desenvolvido e testado com cinco diferentes procedimentos de carregamento, focando principalmente nos aspectos de segurança do operador, aplicabilidade a nível industrial, custo de implementação, redução da contaminação do sódio e desempenho do dispositivo. Os procedimentos de carregamento estudados foram: carregamento em estado sólido e ambiente não controlado, carregamento em estado líquido em ambiente não controlado, carregamento em estado sólido em ambiente controlado, carregamento em estado líquido em ambiente controlado e carregamento em estado líquido em ambiente não controlado com um sistema de purga de gases não condensáveis (GNC). Além disso, é apresentado um procedimento operacional padrão para todas as etapas: limpeza, preparação, verificação de vazamento, evacuação das tubulações, manipulação do sódio e fechamento.
Capítulo 3 – Neste capítulo é observada experimentalmente a influência da quantidade de fluido de trabalho em fenômenos como GB, secagem do termossifão, ponta fria, altas temperaturas de parede, bem como no desempenho do termossifão. Além disso, propõe-se uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na ebulição em piscina e uma correlação para o coeficiente de transferência de calor na condensação em película, que se ajustam aos dados experimentais obtidos neste trabalho.
Capítulo 4 –Neste capítulo são apresentados modelos teóricos para estimar o fluxo de calor necessário para entrar e para sair da
região de GB em termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho.
Capítulo 5 – Neste capítulo é apresentado um modelo teórico baseado em um número adimensional proposto, aqui denominado como número de Biot efetivo, para termossifões que operam com sódio, capaz de prever as condições em que o termossifão apresente ponta fria, devido ao escoamento do vapor em regime molecular ao longo do termossifão.
Capítulo 6 – Neste capítulo são apresentadas as conclusões gerais da tese, sendo também apresentadas propostas para trabalhos futuros.
Este trabalho faz parte de uma linha de pesquisa do Laboratório de Tubos de Calor (LABTUCAL/LEPTEN) da Universidade Federal da Santa Catarina (UFSC) que visa ao desenvolvimento de termossifões bifásicos com metais líquidos como fluido de trabalho para aplicações de alta temperatura.
1.4 REFERÊNCIAS CAPÍTULO 1
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[9] H. Zhang; J. Zhuang, “Research, development and industrial application of heat pipe technology in china”, Applied Thermal Engineering, Elsevier, v. 23, n. 9, p. 1067–1083, 2003.
[10] J. M. P. Tournier; M. S. El-Genk, “Liquid metal loop and heat pipe radiator for space reactor power systems”, Journal of propulsion and power, v. 22, n. 5, p. 1117–1134, 2006. [11] I. Hischier, “Development of a pressurized receiver for
solar-driven gas turbines”, Tese (Doutorado) — ETH Zurich, 2011. [12] M. B. H. Mantelli; T. Uhlmann; L. H. R. Cisterna, “Experimental study of a sodium two-phase thermosyphon”, In: 9th World Conference on Experimental Heat Transfer,
Fluid Mechanics and Thermodynamics 12-15 June, 2017, Iguazu Falls, Brazil.
[13] T. W. Uhlmann; M. B. H. Mantelli, “Experimental Evaluation of the Thermosyphon Characteristics,” WP3 REPORT, 2015. [14] K. Panda; I. Dulera; A. Basak, “Numerical simulation of high
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Adkins, “RECENT REFLUX RECEIVER
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[26] H. Shabgard, A. Faghri, T. Bergman, and C. Andraka, “Numerical Simulation of HEat Pipe-Assisted Latent Heat Thermal Energy Storage Unit for Dish-Stirling Systems,” J. Sol. Energy Eng., vol. 136, 2014.
[27] International Renewable Energy Agency IRENA, Renewable Power Costs in 2017: An
2 TECNOLOGIA DE CARREGAMENTO PARA TERMOSSIFÕES DE SÓDIO
RESUMO
Normalmente, ciclos de potência de alta temperatura como o ciclo Brayton e o ciclo Stirling são utilizados no bloco de potência de plantas de concentração solar ou Concentrated Solar Power (CSP) com coletores térmicos do tipo torre de aquecimento e disco parabólico respectivamente. Estes ciclos operam a temperaturas na faixa de 700 a 1000 ºC. A componente chave deste tipo de sistema é o receptor solar de alta temperatura, onde a energia térmica solar concentrada é absorvida e transferida para um gás pressurizado, o qual é utilizado no bloco de potência. A tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho, vem se apresentando como uma alternativa no projeto deste tipo de receptores solares, onde o processo de carregamento é fundamental, tanto para o desempenho do dispositivo, como para prevenir explosões potenciais resultantes de reação exotérmica entre o sódio e a água ou o sódio e a umidade presente no ar atmosférico. Por um lado, a literatura apresenta procedimentos de carregamento altamente sofisticados, que garantem um alto nível de segurança e desempenho dos termossifões, mas que demandam um alto custo de investimento para serem implementados. Também relata procedimentos que envolvem um menor custo de implementação, mas que resultam em dispositivos com um desempenho inferior. Neste trabalho um dispositivo de carregamento é desenvolvido e testado, adotando-se cinco diferentes procedimentos de carregamento. Em todos os procedimentos adotados, focou-se principalmente nos aspectos de segurança do operador, aplicabilidade a nível industrial, custo de implementação, redução da contaminação do sódio e, finalmente, o desempenho do dispositivo. Os procedimentos de carregamentos estudados foram: carregamento em estado sólido e ambiente não controlado (C1), carregamento em estado líquido em ambiente não controlado (C2), carregamento em estado sólido em ambiente controlado (C3), carregamento em estado líquido em ambiente controlado (C4) e carregamento em estado líquido em ambiente não controlado com um sistema de purga de GNC (IT). Este último apresentou o melhor desempenho entre todos os procedimentos estudados neste trabalho. Além disso, apresenta-se um procedimento operacional padrão, seguido das seguintes etapas: limpeza, preparação, verificação de vazamento, evacuação das tubulações, manipulação do sódio e fechamento. Os resultados obtidos mostram que o dispositivo de
carregamento desenvolvido se apresenta como uma boa alternativa na fabricação de termossifões com sódio, visando a aplicações industriais, devido principalmente ao bom desempenho apresentado no termossifão, à segurança de manipulação e ao baixo custo de implementação.
2.1 INTRODUÇÃO
Como foi mencionado no capítulo anterior, a componente chave para a integração de uma CSP em usinas convencionais de energia com base em combustíveis fósseis é o receptor solar de alta temperatura, onde a energia térmica solar concentrada é absorvida e transferida para o gás pressurizado, o qual é utilizado no bloco de potência. Em coletores térmicos do tipo torre de aquecimento e disco parabólico, operando a temperaturas na faixa de 700 a 1000 ºC a tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho, vem se apresentando como uma alternativa, para ser integrada ao projeto deste tipo de receptores solares, onde o processo de carregamento é fundamental tanto para o desempenho do dispositivo como para a segurança do operador. Segundo Faghri [1], no projeto e teste de tubos de calor e termossifões de alta temperatura especificamente operando com sódio como fluido de trabalho, é necessário um extremo cuidado, uma vez que existe um grande potencial de explosão devido à reação exotérmica entre sódio e água ou a reação com o sódio e o ar atmosférico úmido (água presente no ar).
O sódio, quando reage com água, produz hidróxido de sódio (soda cáustica), alcalinizando o meio no qual ocorre a reação. Este hidróxido de sódio fica depositado na superfície do sódio puro, formando uma camada de impureza cujos pontos de fusão e de ebulição são de 1,6 a 3,3 vezes maior que o sódio puro (Tabela 2-1). Desta forma o uso de sódio “impuro” resulta em graves problemas durante o início de operação, uma vez que são necessárias temperaturas de superaquecimento das paredes do evaporador muito maiores para o início do processo de ebulição do fluido de trabalho. Além disso, as impurezas presentes no sódio podem formar gases não condensáveis (GNC) no interior do termossifão diminuindo a área útil de troca de calor do condensador e assim, o desempenho do dispositivo durante a operação em regime permanente. A formação de hidróxido de sódio e geração ou entrada de GNC no termossifão acontece principalmente durante o processo de carregamento. Desta forma, a tecnologia de termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de
trabalho necessita de um processo de carregamento que garanta o bom desempenho e segurança de operação deste tipo de dispositivo.
Tabela 2-1: Pontos de fusão e de ebulição do sódio e do hidróxido de sódio à pressão atmosférica
Ponto de Fusão [°C] Ponto de ebulição [ºC]
Sódio 97,8 882,8
Hidróxido
de Sódio 318 1388
Diferentes trabalhos relacionados a tubos de calor e termossifões operando com sódio como fluido de trabalho, são apresentados na literatura especializada ([2]–[16]). Porém, um ponto a se destacar é a falta de documentação acerca dos procedimentos de carregamento deste tipo de termossifões. Não obstante, alguns autores fornecem boas recomendações do processo de carregamento de sódio em tubos de calor e termossifões, ao quais são citados a seguir.
Faghri [1] apresenta um dispositivo para o carregamento de sódio o qual consiste em uma câmara de carregamento conectada com o tubo de calor através de uma tubulação com uma série de válvulas e sistemas de by-pass para a realização do vácuo e o fornecimento de argônio. Inicialmente o sódio é colocado em estado sólido e fundido através de aquecedores resistivos do tipo fita os quais também são utilizados para o aquecimento da tubulação de conexão e do tubo de calor, de maneira a se evitar a solidificação do sódio durante o carregamento. Para ajudar a empurrar o sódio em estado líquido ao interior do tubo de calor, é utilizado argônio sob pressão. Este método de carregamento também foi utilizado no trabalho apresentado por Manoj et al. [17].
Yan et al.[18], descrevem passo a passo, o procedimento de preparação e carregamento de sódio em tubos de calor. Estes autores apresentam um método de carregamento similar ao proposto em [1] que consiste primeiramente no carregamento do sódio em um tanque unido ao tubo de calor, feito em uma câmara de atmosfera controlada, o qual é acoplado ao equipamento de carregamento. O sistema então é evacuado e aquecido através de resistências de fita, de forma a fundir o sódio no tanque. O sistema é então pressurizado com argônio na parte superior (tanque) e evacuado na parte inferior (tubo de calor), que está conectado com o sistema de vácuo, por meio de duas válvulas que são abertas. Assim, o termossifão é carregado e posteriormente evacuado para retirar os gases de sódio.
Reay et al. [19] apresentam dois sistemas de carregamentos utilizando três métodos diferentes. No primeiro método que, segundo os autores, dentre os três propostos resulta na melhor pureza do sódio carregado, logo, em maior vida do termossifão a destilação do sódio é feita através de uma esponja para remoção do oxigênio. Este método também foi utilizado nos trabalhos de Qu et al.[20] e Reid et al.[21]. Qu et al.[20] afirmam que este método permite carregamentos de alta qualidade e pureza do sódio, porém, consome grande tempo, água e energia, pois apresentam uma grande dificuldade de limpeza de resquícios de sódio remanescentes no carregador. O segundo método consiste na quebra de uma ampola de sódio dentro do tubo de calor e o terceiro consiste em inserir sódio de alta pureza (99,9%) no filtro de vidro fixado no tubo de carregamento e imerso num banho de parafina líquida em temperatura acima da temperatura de fusão de sódio. O sistema é acoplado a duas válvulas, uma para uma bomba de vácuo, que serve para limpar a tubulação e outra ligada a um tanque de hélio pressurizado, para empurrar o sódio líquido para dentro do tubo.
Dillig et al.[22] fornecem a descrição de um carregamento de um tubo de calor plano. Sódio de alta pureza (99,9%) é armazenado em um recipiente em vácuo. Todos os componentes do carregamento são transportados para uma câmara de atmosfera inerte controlada com argônio ou nitrogênio. Dentro da câmara, o recipiente de sódio é quebrado e o sódio é colocado no cone de carregamento, o tubo carregado tem um umbilical acoplado a uma bomba de vácuo para mantê-lo a uma pressão 0,8 bar, enquanto o sódio é fundido. Então, o sódio uma vez fundido entra no tubo de calor que é então retirado e vedado por esmagamento e posteriormente fechado pelo processo de solda (TIG).
Uhlmann et al.[23], propõem uma metodologia para o carregamento de sódio em estado sólido manipulado em uma câmara de atmosfera inerte, visando a diminuição dos custos de fabricação dos termossifões. Estes autores apresentam também um fluxograma de cada etapa do carregamento como: fabricação e limpeza dos tubos, limpeza das camadas contaminadas do sódio, tanto de querosene (onde o sódio fica armazenado) quanto de hidróxido de sódio, carregamento do sódio na câmara de atmosfera inerte, vácuo, e fechamento do tubo. Este procedimento atinge o objetivo do carregamento ser rápido e de baixo custo, os termossifões apresentados por estes autores apresentaram ponta fria devido à presença de GNC.
Mantelli et al. [24] realizaram uma série de experimentos em termossifões bifásicos operando com sódio como fluido de trabalho, para diferentes taxas de calor fornecidas no evaporador. Estes autores
utilizaram o método de carregamento apresentado em [23]. Observa-se da mesma forma que em [23], que todos os termossifões estudados pelos autores apresentam um alto grau de não homogeneidade da temperatura ao longo do condensador, sinal evidente da presença de GNC, o qual era mais evidenciado para baixas taxas de calor. Em alguns casos extremos, a ponta fria ocupava até 50% da área útil de transferência de calor no condensador. Isto também foi observado nos termossifões estudados por Wu et al.[25], os quais utilizaram o mesmo procedimento descrito em [23].
Assim, por um lado se tem procedimentos de carregamentos altamente sofisticados que garantem um alto desempenho nos termossifões, porém, demandam um alto custo de investimento para a implementação, como por exemplo os carregamentos através da destilação do sódio. Por outro lado, dispõe-se de procedimentos de menor custo de implementação, como é o caso do carregamento em estado sólido e atmosfera controlada, mas com um desempenho inferior. Neste trabalho apresenta-se uma nova metodologia de carregamento de termossifões com sódio, visando principalmente aspectos de segurança do operador, aplicabilidade a nível industrial, custo de implementação, redução da contaminação do sódio e, finalmente, desempenho do dispositivo. Além disso, apresenta-se um procedimento operacional padrão para todas as etapas de fabricação de um termossifão: limpeza, preparação, verificação de vazamento, evacuação das tubulações, manipulação do sódio e fechamento. Um dispositivo de carregamento foi desenvolvido, construído e testado com cinco diferentes formas de carregamento: carregamento em estado sólido e ambiente não controlado (C1), carregamento em estado líquido em ambiente não controlado (C2), carregamento em estado sólido em ambiente controlado (C3), carregamento em estado líquido em ambiente controlado (C4) e carregamento em estado líquido em ambiente não controlado com um sistema de purga de GNC. Este último procedimento resulta em um dispositivo de alta qualidade, aqui denominado de termossifão ideal (IT), com o melhor desempenho de todos os termossifões estudados neste trabalho.
2.2 METODOLOGIA E BANCADA EXPERIMENTAL
Nesta seção, apresenta-se a metodologia para o carregamento dos termossifões estudados neste trabalho, junto com a descrição da bancada experimental utilizada para os testes de desempenho. Como ponto de
partida, tomou-se como referência para a fabricação dos termossifões, o fluxograma de fabricação proposto por Uhlmann et al.[23], que especifica em detalhes o processo de fabricação, limpeza, teste de vazamento, tipo de atmosfera do carregamento (controlada e não controlada), tipo de carregamento (estado sólido e líquido), procedimento de fechamento e testes de desempenho dos termossifões. A seguir, apresentam-se com mais detalhes cada um dos procedimentos de fabricação.
2.2.1 Fabricação dos termossifões
Foram fabricados seis termossifões especificados na Tabela 2-2. Os termossifões C1, C2, C3 e C4 foram fabricados para estudar o estado que o sódio é inserido no termossifão (sólido e líquido) e ambiente onde ele é carregado (atmosfera controlada ou não controlada). O termossifão IT é fabricado com um sistema de purga com o objetivo de verificar o efeito dos GNC no desempenho dos termossifões. Além disso é fabricado um termossifão sem fluido de trabalho (tubo vazio HT), isto é, um tubo totalmente evacuado, simulando o caso de um termossifão que nunca consegue entrar em operação, onde todo o calor é transportado apenas por condução. O material utilizado para a fabricação dos termossifões foi o aço inoxidável AISI 316L segundo sugestão de Yamammoto et al. [26], com espessura de parede de 3 mm. Em todos os casos estudados menos o termossifão HT (tubo vazio) os termossifões foram carregados com 18 [g] de sódio, que corresponde a um razão de enchimento (RE), ou seja, a relação entre o volume de fluido de trabalho e do evaporador, em aproximadamente 60% para o sódio na temperatura ambiente. O sódio utilizado neste trabalho tem uma pureza mínima de 99,8%.
As principais características geométricas dos termossifões estudados se mostram na Figura 2-1. Dois tipos de termossifões, com e sem a presença de um tubo de carregamento (umbilical) na ponta foram fabricados. Quando o sódio é carregado em estado líquido é necessário a utilização de um umbilical para conectar o recipiente do carregador com o termossifão. O termossifão com um umbilical é denominado de Termossifão A (Figura 2-2a). Quando o sódio é carregado em estado sólido, este umbilical não é necessário e o sódio é inserido diretamente no tubo. O termossifão sem o umbilical de carregamento é denominado de Termossifão B (Figura 2-2b). Este último necessita de um comprimento maior do tubo, prevendo-se uma região para ser usada no processo de esmagamento, na hora do fechamento do termossifão. Já no termossifão da Figura 2-1a, o fechamento é feito através de esmagamento no próprio umbilical. Em ambos os casos, o esmagamento do tubo é feito com uma
prensa hidráulica, após o procedimento de carregamento ter sido concluído.
Tabela 2-2: Classificação dos termossifões segundo o tipo de carregamento
Termossifão Tipo de Carregamento
C1 Sólido em atmosfera não controlada C2 Líquido em atmosfera não controlada C3 Sólido em atmosfera controlada C4 Líquido em atmosfera controlada HT Tubo vazio IT Carregamento ideal [mm] Dext 25,4 du 6,35 le 100 la 50 lc 200 lcr 50 lu 100
Figura 2-1: a) Termossifão utilizado para carregamentos com sódio em estado líquido (Termossifão A); b) Termossifão utilizado para carregamentos com sódio em estado sólido (Termossifão B).
2.2.2 Limpeza e teste de vazamento
Como foi mencionado anteriormente, a presença de substâncias contaminantes pode comprometer o desempenho dos termossifões operando com sódio como fluido de trabalho. Assim, após o processo de fabricação do termossifão, diversos tipos de impurezas e sedimentos se acumulam no tubo, como óleo, cavaco e oxidação. Torna-se necessário,
portanto, realizar uma limpeza exaustiva do dispositivo antes do carregamento.
Inicialmente, para remover corpos sólidos e o excesso de outras substâncias remanentes do processo de fabricação, é realizada uma limpeza mecânica utilizando um esfregão com desengraxante neutro. Em seguida, acetona (propanona) foi aplicada para a limpeza fina promovendo a remoção de graxas e óleos. Finalmente, o termossifão é colocado em um banho de álcool isopropílico no interior de uma máquina de Ultrassom, para que a vibração das peças submersas em álcool faça com que substâncias impregnadas na superfície das peças se dissociem, podendo então ser removidas facilmente durante o enxágue. Após a limpeza, é realizado um vácuo de aproximadamente 10-3 mbar para a
remoção de gotículas de água, acetona ou álcool que possam ter restado no interior. Em seguida, com a utilização de um espectrômetro de massa (Edwards-Spectron 5000) é feito o teste de vazamento, onde apenas os tubos que apresentem vazamento máximo na ordem de 10-8mbarl/s são
aprovados.
2.2.3 Ambiente do carregamento
Duas condições diferentes de ambiente de carregamento foram testadas: uma sem controle rigoroso (atmosfera não controlada), e uma câmara de atmosfera inerte preenchida por argônio (atmosfera controlada). Os carregamentos realizados em atmosfera não controlada ocorreram dentro de uma capela com sistema de exaustão, normalmente usada na manipulação de produtos químicos. A bancada foi inicialmente limpa, mas nenhuma outra forma de controle da atmosfera foi realizada. Para os carregamentos em atmosfera controlada, foi utilizada uma câmara (glovebox) MBRAUN UNLab Pro WORKSTATION. Nesta, o sódio é mantido em uma atmosfera de gás Argônio, com taxas de oxigênio e umidade abaixo de 10 ppm, minimizando assim a possibilidade de reação química do sódio com o oxigênio. A Figura 2-2, mostra o sódio em estado sólido colocado no interior da capela química (Figura 2-2a) e no interior da glovebox (Figura 2-2b). Observa-se, que o sódio carregado em atmosfera não controla começa a reagir imediatamente após entrar em contato com o ar atmosférico como se observa na Figura 2-2a. O resultado dessa reação é a formação de uma camada de hidróxido de sódio na superfície do bloco de sódio. Esta camada, na verdade, é inserida junto com o sódio no interior do termossifão, no caso do carregamento em estado sólido ou, no interior do carregador, no caso do carregamento em estado líquido. Este fenômeno não é observado nos blocos de sódio sob
