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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS EESC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA SEM TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Desenvolvimento de um modelo teórico para estudo e simulação de tubo de calor pulsante de parâmetros agrupados com múltiplos graus de liberdade Aluno: Willian Ciletta Orientador: Prof. Dr. Cristiano Bigonha Tibiriçá São Carlos SP 2016

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS – EESC

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – SEM

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Desenvolvimento de um modelo teórico para estudo e

simulação de tubo de calor pulsante de parâmetros agrupados

com múltiplos graus de liberdade

Aluno: Willian Ciletta

Orientador: Prof. Dr. Cristiano Bigonha Tibiriçá

São Carlos – SP

2016

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS – EESC

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - SEM

Desenvolvimento de um modelo teórico para estudo e

simulação de tubo de calor pulsante de parâmetros agrupados

com múltiplos graus de liberdade

Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao Departamento

de Engenharia Mecânica da

Escola de Engenharia de São

Carlos da Universidade de São

Paulo, como parte dos requisitos

necessários para conclusão do

curso de Graduação em

Engenharia Mecânica.

Área de concentração:

Engenharia Mecânica.

Aluno: Willian Ciletta

Orientador: Prof. Dr. Cristiano Bigonha Tibiriçá

São Carlos – SP

2016

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ciletta, Willian C572d Desenvolvimento de um modelo teórico para estudo e

simulação de tubo de calor pulsante de parâmetrosagrupados com múltiplos graus de liberdade / WillianCiletta; orientador Cristiano Bigonha Tibiriça. SãoCarlos, 2016.

Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica) -- Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade deSão Paulo, 2016.

1. Pulsating heat pipe (PHP). 2. Tubo de calor pulsante. 3. Modelagem térmica. 4. Simulação numérica.5. Escoamento bifásico. I. Título.

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AGRADECIMENTOS

À minha família, pelo amor incondicional.

Ao Prof. Dr. Cristiano Bigonha Tibiriçá, pela oportunidade e orientação durante este

Trabalho de Conclusão de Curso.

À Universidade de São Paulo, pela oportunidade de contato com uma educação de

excelência.

Ao trabalhador Brasileiro, por custear as atividades das universidades públicas

Brasileiras.

Ao Alojamento da USP São Carlos, pela moradia oferecida à inúmeros alunos dos

mais diferentes locais do país, permitindo que cada pessoa busque realizar seus

sonhos dentro da universidade e para além dela.

Ao projeto extracurricular Mini Baja, em especial à equipe EESC USP BAJA SAE e

ao Prof. Dr. Álvaro Costa Neto, por ter fundado a equipe e propiciar aos alunos a

experiência de aplicarem os conhecimentos obtidos em sala de aula no projeto de

protótipos reais.

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CILETTA, W. (2016). Desenvolvimento de um modelo teórico para estudo e

simulação de tubo de calor pulsante de parâmetros agrupados com múltiplos

graus de liberdade. Trabalho de conclusão de curso – Departamento de

Engenharia Mecânica – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São

Paulo.

RESUMO

Tubos de calor pulsante (Pulsating Heat Pipe - PHP) são dispositivos

passivos utilizados para transportarem calor de uma fonte quente para uma seção

fria e são constituídos de tubos acoplados em um circuito fechado, parcialmente

preenchidos com fluido de trabalho. Em geral, possuem alta eficiência, são fáceis e

baratos de serem construídos, são leves e não apresentam consumo de energia. O

principal setor que apresenta uma tendência à aplicação desse tipo de dispositivo é

a eletrônica, com especial atenção à aplicação no setor aeroespacial. Este trabalho

consistiu na implementação de um modelo teórico de parâmetros agrupados, com

múltiplos graus de liberdade para o estudo do desempenho, transferência de calor e

regimes de funcionamento de tubos de calor pulsantes. A metodologia consistiu na

implementação das leis de conservação de massa, momento linear e energia para

obtenção de um sistema de equações diferenciais que representem o sistema termo-

hidrodinâmico. A solução das equações no tempo, foram obtidas por meio da

implementação de um código no programa MATLAB e os resultados foram

comparados com resultados teóricos e experimentais de outros pesquisadores.

Palavras-chave: Pulsating Heat Pipe (PHP); Tubo de calor pulsante; Modelagem

térmica; Simulação numérica; Trocador de calor; Escoamento bifásico.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Sistema comercial de resfriamento de processador de CPU, utilizando um

dissipador com aletas e ventilador (Sistema refrigerado a ar)................................... 13

Figura 2 - Sistema comercial de resfriamento de processador de CPU (Sistema

refrigerado a água). ................................................................................................... 13

Figura 3 - Trocador de calor: Tubo de calor pulsante ............................................... 13

Figura 4 - Tipos de tubos de calor pulsantes: Open Loop and Closed Loop system 16

Figura 5 - Condições de contorno de operação do tubo de calor pulsante .............. 17

Figura 6 - Formação de bolhas devido à diminuição do diâmetro da tubulação ....... 18

Figura 7 - Resistência Térmica e regime de escoamento em função do fluxo de calor

.................................................................................................................................. 19

Figura 8 - (a) Seções de evaporação, condensação e adiabática; (b) Elementos de

massa, mola e amortecedor do sistema .................................................................... 22

Figura 9 - Sistema de aquisição de dados – Pesquisa experimental ....................... 27

Figura 10 - Temperatura do evaporador e do fluido ao longo do tempo ................... 27

Figura 11 - Imagem captada pela câmera térmica (Temperatura) ........................... 27

Figura 12 - Padrões de escoamento bifásico em tubos verticais .............................. 29

Figura 13 - Coeficiente de transferência de calor para diferentes padrões de

escoamento bifásico .................................................................................................. 31

Figura 14 - Definição da indexação dos elementos das misturas de líquido e vapor35

Figura 15 - Definição dos volumes de controle ......................................................... 36

Figura 16 - Conservação do momento linear do pistão de líquido ............................ 37

Figura 17 - Diagrama de Moody representando o fator de atrito .............................. 42

Figura 18 - Ângulos de contato: frontal e traseiro ..................................................... 43

Figura 19 - Determinação da orientação do campo gravitacional ............................. 46

Figura 20 - Algoritmo implementado em código no programa MATLAB ................... 58

Figura 21 - Dimensões do PHP e condições de contorno ........................................ 60

Figura 22 - Ângulo de inclinação do trocador de calor em relação a horizontal. ...... 69

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Constantes da correlação para o coeficiente de transferência de calor... 32

Tabela 2 - Dimensões de trocador de calor .............................................................. 61

Tabela 3 - Propriedade do fluido e número de elementos do sistema ...................... 61

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LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos Arábicos

Símbolo Nomenclatura Unidade

A Área ou constante experimental [m²], [-]

b Coeficiente de equação [m/s²]

Vetor do sistema de equações diferenciais Variadas

B Módulo da força de origem térmica [m.kg/s²]

c Constante viscosa [N.s/m]

Vetor de equação Variadas

cp Calor específico à pressão constante [J/kg.K]

D Diâmetro interno da tubulação [m]

e Energia do sistema por unidade de massa [J/kg]

EES Equation Engineering Solver -

f Fator de atrito [-]

F Força [N]

FR Filling Ratio [-]

g Aceleração da gravidade [m/s²]

G Fluxo mássico [kg/s.m²]

h Coeficiente de transferência de calor ou Entalpia [W/m².K], [J/kg]

H Matriz do sistema de equações diferenciais Variadas

k Rigidez do sistema ou condutividade térmica do fluido [N/m], [W/m.K]

K Condutividade térmica equivalente do trocador de calor [W/m.K]

l Coeficiente de equação Variadas

L Comprimento [m]

m Massa [kg]

Vazão Mássica [kg/s]

M Matriz do sistema de equações diferenciais Variadas

NGL Número de Graus de Liberdade -

ode45 Método numérico MATLAB (Runge – Kutta) -

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P Pressão [Pa]

Potência térmica [W]

r Raio da tubulação [m]

R Constante dos gases ideais ou Resistência Térmica [J/kg.K]

t Tempo [s]

T Temperatura [ºC]

u Velocidade do fluido na direção axial ou energia interna [m/s], [J/kg]

v Coeficiente de equação Variadas

V Velocidades dos pistões de líquido [m/s]

W Trabalho de escoamento [W]

Posição da massa equivalente ou título da mistura [m], [-]

Velocidade da massa equivalente [m/s]

Aceleração da massa equivalente [m/s²]

X Posições dos pistões de líquido [m]

Vetor do sistema de equações diferenciais Variadas

z Altura em relação a um referencial [m]

Símbolos Gregos

Símbolo Nomenclatura Unidade

α Ângulo de inclinação do trocador de calor [Graus]

e Rugosidade da parede interna da tubulação [m]

λ Coeficiente de equação Variadas

μ Viscosidade dinâmica [Pa.s]

π Constante [-]

ρ Densidade [kg/m³]

σ Tensão superficial do fluido ou coeficiente de equação [N/m],[-]

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τ Tensão de cisalhamento ou tempo [Pa], [s]

w Frequência angular [rad/s]

Ѱ Coeficiente de equação Variadas

Ângulo de contato [rad]

Σ Somatório -

∅ Coeficiente de equação Variadas

Índices inferiores

Símbolos Nomenclatura

adv Ângulo de contato frontal

cap Capilaridade

cond Condensador

crítico Diâmetro crítico

eff Condutividade térmica efetiva

evap Evaporador

fric Atrito viscoso

grav Gravidade

i Índice numérico dos elementos do sistema

in Entrada

inc Inclinação

int Interno

lam Laminar

l Líquido

left Face esquerda

lv Entalpia de vaporização

máx Máximo

mín Mínimo

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Out Saida

pres Pressão

r Raio tubulação

rec Ângulo de contato Traseiro

right Face direita

s Superficial ou estático

TP Bifásico

tot Total

turb Turbulento

v Vapor

visc Atrito viscoso

Números Adimensionais

Símbolo Nomenclatura Equação

Bo Número de Evaporação

Ca Número de Capilaridade

Co Número de Convecção

Fr Número de Froude

Nu Número de Nusselt

Pr Número de Prandtl

Re Número de Reynolds

Xtt Parâmetro de Martinelli

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 11

1.1 Objetivo ..................................................................................................................................... 14

1.2 Estrutura do trabalho ............................................................................................................... 14

2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................... 16

3. TEORIA BÁSICA DE ESCOAMENTO BIFÁSICO .................................................................... 29

3.1 Padrões de escoamento ......................................................................................................... 29

3.2 Escoamento bifásico vertical.................................................................................................. 29

3.3 Coeficiente de transferência de calor para escoamento bifásico ..................................... 30

4. METODOLOGIA ............................................................................................................................. 34

4.1 Modelagem termo-hidrodinâmica: Tubo de calor pulsante ............................................... 34

4.2 Definição dos volumes de controle ....................................................................................... 35

4.3 Hipóteses simplificadoras ....................................................................................................... 36

4.4 Modelo matemático - Equacionamento ................................................................................ 37

4.4.1 Conservação de momento .............................................................................................. 37

4.4.2 Força de pressão das bolhas de vapor ......................................................................... 38

4.4.3 Força de atrito viscoso ..................................................................................................... 39

4.4.4 Força de capilaridade ...................................................................................................... 43

4.4.5 Força peso ......................................................................................................................... 46

4.4.6 Montagem da equação de conservação de momento linear ..................................... 47

4.4.7 Conservação de energia e massa ................................................................................. 48

4.4.8 Conservação de energia no evaporador....................................................................... 54

4.4.9 Montagem do sistema de equações diferenciais ........................................................ 55

4.5 Método de resolução – ALGORITMO............................................................................... 58

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................................ 60

5.1 Avaliação do coeficiente de transferência de calor sobre o comportamento oscilatório

do fluido ............................................................................................................................................ 62

5.2 Avaliação da temperatura do evaporador para diferentes potências admitidas no

evaporador....................................................................................................................................... 67

5.3 Avaliação da Resistência Térmica Equivalente .................................................................. 68

5.4 Avaliação da influência da gravidade ................................................................................... 69

6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ............................................................................. 72

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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 74

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11

1. INTRODUÇÃO

O estágio de desenvolvimento atual representado nas mais diversas áreas de

pesquisas, principalmente no que se refere à área técnica, apresenta uma tendência

à miniaturização dos dispositivos, em uma busca por maiores eficiências, menor

consumo de materiais, menor número de componentes, redução de custos e

manutenção, entre outros. Atualmente um dos setores críticos no desenvolvimento

tecnológico são os sistemas térmicos empregados na refrigeração de sistemas

eletrônicos, tendo em vista a diminuição no tamanho dos dispositivos eletrônicos,

concentrando o calor que se origina dos fenômenos elétricos em componentes com

pequenas áreas de troca de calor, causando superaquecimento e possibilitando

queima dos componentes.

A miniaturização de microprocessadores foi inicialmente citada por Gordon

Moore, co-fundador da Intel, onde o mesmo dizia já na década de 1960 e 1970, que

o número de transistores utilizados em um processador dobraria a cada 2 anos e

consequentemente, a densidade de potência também aumentaria. Essa citação ficou

conhecida como Lei de Moore (Gráfico 1).

Gráfico 1 – Lei de Moore. Representação da densidade de potência para diferentes

modelos de processadores

. Fonte: “New Microarchitecture Challenges in the Coming Generations of CMOS

Process Technologies” – Fred Pollack, Intel Corp. Micro32 conference key note – 1999.

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12

No início da década de 1990, H. Akashi desenvolveu um tipo especial de

trocador de calor, o que hoje é conhecido como Pulsating Heat Pipe (PHP), onde o

mesmo permite a transferência de calor de uma fonte quente para uma fonte fria de

maneira passiva, de modo que não é necessário o uso de bomba ou compressor

para seu funcionamento, eliminando o consumo de energia elétrica. Este tipo de

dispositivo tem grande potencial para ser aplicado como solução de problemas como

o mencionado anteriormente, onde se tem grande densidade de potência térmica em

componentes com pequenas dimensões.

Este tipo de sistema (Figura 3) consiste de tubos conectados na forma de um

circuito fechado, parcialmente preenchidos com um fluido, onde o mesmo fica

submetido a forças como pressão dos vapores (devido a mudança de fase), força de

capilaridade, força devido o campo gravitacional e força de atrito viscoso entre o

fluido e a parede interna do tubo. A força de pressão dos vapores se origina de

trocas térmicas, absorvendo calor da parte quente (evaporador) e cedendo calor

para a parte fria (condensador), e a força de capilaridade se origina devido a tensão

superficial do fluído, tendo em vista que é necessário que o diâmetro interno do tubo

seja inferior ao diâmetro de Laplace (Khandekar et al, 2003), condição que permite o

fluido escoar verticalmente para cima, eliminando a necessidade de um sistema

motriz como uma bomba ou compressor.

A existência dessas forças originam um movimento de oscilação do fluido

dentro do tubo, permitindo a transição da troca térmica do evaporador para o

condensador e vice-versa. Este sistema possui uma alta eficiência devido aos

diferentes padrões de escoamento bifásico que se originam das trocas de calor ao

longo do sistema, possibilitando obter altos valores de coeficiente de transferência

de calor. Com este movimento oscilatório do fluido, este sistema permite obter um

coeficiente de condutividade térmica equivalente entre 10 a 100 vezes superior a de

um sólido utilizado comercialmente, tais como aletas de alumínio (Figura 1) e

sistema refrigerado à água (Figura 2) utilizadas em sistemas de resfriamento de

processadores de microcomputadores.

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13

Figura 1 - Sistema comercial de resfriamento de processador de CPU, utilizando um dissipador com aletas e ventilador (Sistema refrigerado a ar).

Fonte: Site de vendas na internet, www.pccooler.portuguese.globalmarket.com

Figura 2 - Sistema comercial de resfriamento de processador de CPU (Sistema refrigerado a água).

Fonte: Site de vendas na internet, www.tecmundo.com.br/cooler/825

Figura 3 - Trocador de calor: Tubo de calor pulsante

Fonte: Elaborado pelo autor.

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14

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de um modelo teórico

para estudo de tubos de calor pulsante (Pulsating Heat Pipe - PHP) de modo a

permitir avaliar a influência de parâmetros chave no projeto deste tipo especial de

trocador de calor. A princípio, buscou-se criar um modelo matemático de parâmetros

agrupados, baseado nas leis de conservação de massa, momento e energia para

volumes de controle com o intuito de avaliar a resistência térmica equivalente do

dispositivo e possíveis regimes de oscilação. Este modelo foi baseado no modelo de

Gursel et al (2014) e difere dos modelos estudados devido a possibilidade de

controlar o número de graus de liberdade do sistema (número de elementos de

pistões de líquido e bolhas de vapor), permitindo avaliar no futuro sua influência.

Outro fator importante e que também difere de modelos já propostos por outros

autores é o método de acoplamento entre o modelo térmico e o modelo

hidrodinâmico, onde foi considerada transferência de calor para escoamento bifásico

cuja intensidade depende do título da mistura líquido/vapor.

1.2 Estrutura do trabalho

A estrutura do presente trabalho está dividida de forma a apresentar um

método linear no que diz respeito à modelagem de sistemas. A revisão bibliográfica

apresenta os trabalhos utilizados como base para o início do estudo em tubos de

calor pulsantes (Pulsating Heat Pipe), apresentando os principais modelos físicos e

matemáticos, onde são apresentados dois principais modelos estudados. O primeiro

modelo possui um grau de liberdade representado por um sistema massa-mola-

amortecedor e um segundo modelo, representado por 5 graus de liberdade. São

apresentados os equacionamentos dos principais fenômenos físicos que descrevem

o comportamento da dinâmica do sistema e também são apresentados alguns

resultados, com especial atenção à resistência térmica equivalente do trocador de

calor como um todo, além de resultados de trabalhos experimentais. Na sequência,

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15

são apresentados alguns conceitos básicos sobre escoamento bifásico e

transferência de calor. Os principais regimes de escoamentos são caracterizados e

as correlações empíricas utilizadas para o cálculo do coeficiente de transferência de

calor são apresentadas.

Como modelagem propriamente dita, é apresentada a metodologia utilizada

baseada na aplicação das leis de conservação de massa, momento e energia para

volumes de controle, para obtenção de um sistema de equações diferenciais e cuja

solução no tempo é obtida por meio de simulação no programa MATLAB. Na

sequência é apresentado um algoritmo macroscópico do código implementado no

programa MATLAB e são apresentados alguns resultados das simulações, tais

como, velocidades dos pistões de líquido, posições dos pistões de líquido,

temperaturas e títulos das misturas para diferentes condições de operação, em

termos de potência admitida no evaporador e intensidade do coeficiente de

transferência de calor.

No capítulo de conclusões e trabalhos futuros, é apresentada uma análise à

respeito do modelo proposto e possíveis melhorias a serem realizadas.

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16

2. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

Após a apresentação dos trabalhos de H.Akashi na década de 1990, houve

um crescente interesse neste tipo de dispositivo por parte de pesquisadores da área

de térmica e fluidos. Na sequência são apresentados alguns trabalhos em destaque

na área de trocador de calor, especificamente, tubo de calor pulsante.

Khandekar e Groll (2003) começam abordando o tema no sentido de

caracterizar o que de fato vem a ser um trocador de calor de tubo pulsante,

apresentando uma tentativa de definir o dispositivo em termos de condições de

contorno termo-mecânicas controláveis e uma tentativa de definir os limites de

desempenho operacionais do dispositivo. Como classificação inicial, foram

apresentadas duas possíveis configurações físicas para o dispositivo, sendo

nomeadas de open loop system e closed loop system como apresentado na figura 4.

Figura 4 - Tipos de tubos de calor pulsantes: Open Loop and Closed Loop system

Fonte: Khandekar e Groll (2003)

Para caracterizar por completo o dispositivo closed loop pulsating heat pipe,

Khandekar e Groll (2003) apresentaram um diagrama apresentado na figura 5, que

ilustra os principais fatores que influenciam a performance do sistema e que

permitem uma operação satisfatória.

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17

Figura 5 - Condições de contorno de operação do tubo de calor pulsante

Fonte: Khandekar e Groll (2003), tradução do autor.

Diâmetro crítico

Para que o fluido oscile de forma estável dentro da tubulação e o sistema

opere de maneira eficiente, o padrão de escoamento deve ser restringido ao regime

de escoamento pistonado (Slug flow), que se encontra entre o escoamento com

bolhas (bubble flow) e o escoamento anular (annular flow). Quanto mais próximo é o

diâmetro da bolha do diâmetro interno da tubulação, maior é o efeito capilar.

Experimentos com bolhas bombeando liquido verticalmente orientados mostraram

que o bombeamento é possível apenas para diâmetros de tubulação abaixo do

diâmetro crítico (Khandekar e Groll, 2003), que pode ser calculado pela seguinte

equação. A figura 6 apresenta o efeito da redução do diâmetro da tubulação na

formação de bolhas no fluido.

Page 23: UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP EESC DEPARTAMENTO DE ... · implementação das leis de conservação de massa, momento linear e energia para obtenção de um sistema de equações

18

(1)

Figura 6 - Formação de bolhas devido à diminuição do diâmetro da tubulação

Fonte: Khandekar e Groll (2003).

Filling Ratio

Filling Ratio (FR) é definido como a razão entre o volume de fluido e o volume

total da tubulação. Portanto, existem dois extremos a serem definidos, sendo um

dispositivo totalmente vazio com FR = 0 e um dispositivo totalmente cheio com FR =

1. No primeiro caso não há fluido e portanto, não existe oscilação, tornando o

dispositivo inutilizável. No segundo caso, o dispositivo está totalmente preenchido

com fluido e portanto, se assemelha a um termosifão, com escoamento monofásico

e cuja natureza do movimento do fluido é o empuxo, como mencionado

anteriormente.

(2)

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19

Fluxo de calor no evaporador

Com base em experimentos, é possível verificar que a formação de bolhas

está diretamente relacionada ao fluxo de calor no evaporador, definindo e alterando

o regime de padrão de escoamento e afetando a instabilidade da oscilação.

Portanto, o fluxo de calor afeta diretamente a performance térmica do dispositivo. A

figura 7 mostra como o fluxo de calor interfere na formação de bolhas e

consequentemente no padrão de escoamento, e como isso afeta a resistência

térmica do sistema como um todo, devido à forma e intensidade das oscilações do

fluido na tubulação.

Figura 7 - Resistência Térmica e regime de escoamento em função do fluxo de calor

Fonte: Khandekar e Groll (2003), tradução do autor.

Uma vez definido os parâmetros importantes para o desenvolvimento deste

tipo de dispositivo, ocorreram pesquisas no campo experimental e também na

formulação teórica da dinâmica do escoamento e transferência de calor do sistema.

H.B.Ma et al (2006) apresentaram um modelo teórico onde o sistema é representado

por um único elemento constituído da fase vapor e líquida, de forma que se

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20

comporte como um sistema massa-mola-amortecedor equivalente, cuja entrada do

sistema seja representada pela superposição de duas entradas, uma entrada em

degrau e uma oscilante (cossenoidal). Segundo este modelo, o sistema pode ser

representado pela seguinte equação:

(3)

Onde:

(4)

(5)

(6)

(7)

Utilizando este modelo, H.B.Ma et al (2006) obtiveram os resultados que

consistem na posição do elemento fluido ao longo do tempo (Gráficos 2 e 3),

permitindo estudar a natureza da oscilação do sistema em termos de amortecimento

e frequência de ressonância. Os gráficos a seguir ilustram alguns resultados.

Page 26: UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO USP EESC DEPARTAMENTO DE ... · implementação das leis de conservação de massa, momento linear e energia para obtenção de um sistema de equações

21

Gráfico 2 – Efeito do Filling Ratio sobre a oscilação do sistema.

Fonte: Ma et al (2006), tradução do autor.

Gráfico 3 – Efeito do diâmetro da tubulação sobre a oscilação do sistema.

Fonte: Ma et al (2006), tradução do autor.

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22

Nos gráficos apresentados, verifica-se que à medida que aumenta-se o filling

ratio, a amplitude da oscilação diminui, devido ao aumento da inércia mecânica do

sistema. Nota-se também que este efeito é semelhante à medida que o diâmetro da

tubulação diminui, devido ao aumento da força viscosa presente no segundo termo

da equação diferencial que rege o sistema. Apesar do modelo possibilitar um estudo

em termos de oscilação do sistema, existe a limitação no que diz respeito ao

entendimento da causa da oscilação, tendo em vista que a entrada do modelo

matemático é imposta inicialmente, sendo necessário seu conhecimento a priori. O

desacoplamento com o modelo térmico neste caso, penaliza a análise da resistência

térmica global do dispositivo dificultando uma compreensão mais completa do

sistema. Gursel et al (2014) apresentou um modelo do tipo massa-mola-

amortecedor, cujo modelo térmico e mecânico estão acoplados, de maneira que o

elemento massa representa os pistões de líquido, os elementos molas representam

as bolhas de vapor e os elementos amortecedores acoplados aos elementos massa

representam o atrito viscoso do liquido com a superfície da parede interna da

tubulação. Neste modelo, o sistema foi definido como 5 pistões de líquido e 5 bolhas

de vapor, escoando através da tubulação, que possui 5 seções de evaporação e 5

seções de condensação, intercaladas por 10 seções adiabáticas.

Figura 8 - (a) Seções de evaporação, condensação e adiabática; (b) Elementos de

massa, mola e amortecedor do sistema

Fonte: Gursel et al (2014), tradução do autor.

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23

Segundo Gursel et al (2014) , neste modelo com 5 graus de liberdade (5

elementos de massa), foram aplicadas as leis de conservação de momento e

energia para cada elemento, obtendo um sistema de equações diferenciais

representando a dinâmica do sistema.

Modelo hidrodinâmico

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Onde:

Modelo Térmico

Balanço de energia em cada elemento de pistão de líquido e bolha de vapor.

(13)

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24

(14)

(15)

Quando a temperatura do liquido ou do vapor estão abaixo ou acima da

temperatura de saturação, ocorre evaporação ou condensação, de modo que a

temperatura de saturação é calculada usando a equação de Antoine que relaciona a

temperatura de saturação à pressão e a massa evaporada ou condensada é

calculada pela seguinte equação.

(16)

Equação de Antoine:

(17)

Onde:

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25

O coeficiente de transferência de calor é calculado com base no Nusselt para

escoamento monofásico, laminar e para fluxo de calor constante no evaporador e

temperatura constante no condensador. Por fim, para o calculo da resistência

térmica global do sistema foi empregado a seguinte equação:

(18)

Após as simulações, Gursel et al (2014) apresentaram os seguintes

resultados.

Gráfico 4 – Posição do centro de massa do sistema ao longo do tempo

(Qevap = 60 [W] e Tcond = 25ºC)

Fonte: Gursel et al (2014)

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26

Gráfico 5 – Resistência Térmica do sistema para diferentes potências térmicas no

evaporador com Filling Ratio de 60% e água como fluido de trabalho.

Fonte: Gursel et al (2014)

Nota-se que houve uma boa concordância com os resultados experimentais,

seguindo a tendência decrescente da resistência térmica devido o aumento de

potência térmica admitida no evaporador.

No campo experimental, existem trabalhos como o apresentado por

Karthikeyan et al (2014), onde o experimento foi monitorado por um sistema de

aquisição de dados da National Instruments (Figura 9), realizando a medição das

temperaturas em diferentes pontos do dispositivo (Figura 10) e foi realizada também

uma análise qualitativa, por meio da utilização de uma câmera térmica monitorando

o experimento (Figura 11), de forma a permitir analisar as distribuições de

temperaturas do fluido ao longo de toda tubulação.

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27

Figura 9 - Sistema de aquisição de dados – Pesquisa experimental

Fonte: Karthikeyan et al (2014)

Figura 10 - Temperatura do evaporador e do fluido ao longo do tempo

Fonte: Karthikeyan et al (2014)

Figura 11 - Imagem captada pela câmera térmica (Temperatura)

Fonte: Karthikeyan et al (2014)

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28

Por fim, Karthikeyan et al (2014) também apresenta um gráfico dos valores de

resistência térmica e condutividade térmica equivalente para diferentes potências

térmicas admitidas no evaporador. A condutividade térmica equivalente é calculada

pela seguinte equação:

(19)

Gráfico 6 – Resistência térmica e condutividade térmica equivalente do PHP

Fonte: Karthikeyan et al (2014)

Observa-se dentre os trabalhos analisados, que a tendência das pesquisas

teóricas e experimentais é analisar a resistência térmica equivalente do sistema

como um todo em função de parâmetros como Filling Ratio, potência térmica

admitida no evaporador, temperatura do condensador, diâmetro e comprimento da

tubulação e inclinação do dispositivo para análise do efeito da gravidade. Nos

trabalhos teóricos em específico, busca-se melhorar o entendimento da natureza da

oscilação do fluido e seu efeito sobre a performance térmica do dispositivo.

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29

3. TEORIA BÁSICA DE ESCOAMENTO BIFÁSICO

3.1 Padrões de escoamento

Quando um escoamento está recebendo ou cedendo calor, e parte da massa

do fluido sofre vaporização ou condensação ao longo da tubulação, surgem padrões

de escoamento que definem a topologia das interações entre fluidos em diferentes

fases e alteram a intensidade das trocas térmicas, influenciando principalmente o

coeficiente de transferência de calor e a perda de carga ao longo da tubulação. A

identificação dos padrões de escoamento pode ser realizada por meio do estudo de

escoamento bifásico em tubulações aquecidas ou resfriadas e por meio de

diferentes técnicas. Apesar de existirem inúmeros padrões de escoamento bifásico,

a literatura de um modo geral, apresenta 5 casos especiais que são facilmente

distinguíveis em um experimento.

3.2 Escoamento bifásico vertical

Os padrões de escoamento bifásico encontrados em tubos verticais são

mostrados na figura 12 abaixo e são definidos na sequência.

Figura 12 - Padrões de escoamento bifásico em tubos verticais

Fonte: Collier,J.G; Thome,J.R - Convective Boiling and Condensation.

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30

Bubbly Flow (Escoamento com bolhas): Neste padrão de escoamento, bolhas de

vapor são encontradas de forma dispersa através da fase líquida e são

principalmente de forma esféricas com diâmetro muito menor que o diâmetro interno

da tubulação.

Slug Flow (Escoamento pistonado): Neste padrão de escoamento as bolhas

possuem diâmetros próximo do diâmetro interno da tubulação e suas extremidades

possuem forma esférica, com um pequeno filme de líquido entre as bolhas e a

parede interna da tubulação.

Churn Flow or Semi-Annular Flow (Escoamento agitante): Este padrão de

escoamento é formado pela desintegração das bolhas presentes no escoamento

pistonado, que escoam de modo caótico deslocando líquido para a parede da

tubulação.

Wispy-annular Flow (Escoamento anular-entranhado): Este padrão de escoamento é

caracterizado pela fina camada de líquido presente na parede da tubulação e

quantidade considerável de líquido no núcleo das bolhas de vapor. Este padrão

ocorre em escoamentos com altas vazões mássicas.

Annular Flow (Escoamento Anular): Neste padrão de escoamento, forma-se um filme

de líquido fino de maneira uniforme ao redor das bolhas de vapor e ocorrem

ondulações na interface líquido-vapor.

3.3 Coeficiente de transferência de calor para escoamento bifásico

Considerando escoamento bifásico em uma tubulação vertical com fluxo de

calor na parede da tubulação, pode-se avaliar o valor do coeficiente de transferência

de calor em função do título. A figura 13 apresentada a seguir ilustra a intensidade

do coeficiente de transferência de calor para diferentes padrões de escoamento em

tubulação vertical.

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31

Figura 13 - Coeficiente de transferência de calor para diferentes padrões de escoamento bifásico

Fonte: Bergman,T.L; Lavine, A.S; Incropera, F.P; Dewitt, D.P; Fundamentals of heat

and mass transfer.

.

Existem inúmeros trabalhos de pesquisa experimentais realizados com o

intuito de quantificar o valor do coeficiente de transferência de calor para

escoamento bifásico. Neste trabalho, utilizou-se a correlação empírica apresentada

no trabalho de S.G.Kandlikar (1990) para o cálculo do coeficiente de transferência

de calor em tubos com fluxo de calor sendo aplicado externamente. A correlação é

apresentada a seguir.

(20)

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32

(21)

Os valores dos coeficientes são determinados com base no número de

convecção (Convection Number - Co), sendo que para Co < 0.65, predomina o efeito

de convecção e para Co 0.65, predomina o efeito de nucleação de bolhas. A

tabela a seguir apresenta os valores dos coeficientes e na sequência, são

apresentadas as equações utilizados nos cálculos dos parâmetros adimensionais.

Tabela 1 - Constantes da correlação para o coeficiente de transferência de calor

Constante Região de convecção Região de nucleação

C1 1.1360 0.6683

C2 -0.9 -0.2

C3 667.2 1058.0

C4 0.7 0.7

C5 0.3 0.3

C5 = 0 para tubos verticais e para tubos horizontais com Fr > 0.04.

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33

Para o cálculo do coeficiente de transferência de calor bifásico no

condensador, foi utilizada a seguinte correlação proposta por Dodson e Chato

(1998).

(22)

Onde o Parâmetro de Martinelli é calculado pela seguinte equação.

(23)

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34

4. METODOLOGIA

A metodologia consistiu na utilização das leis de conservação de massa,

momento e energia, permitindo obter um sistema de equações diferenciais ordinárias

que representem o modelo termo-hidrodinâmico acoplado com vários graus de

liberdade. Foi implementado um código utilizando o programa MATLAB, onde

aplicou-se o método numérico Runge-Kutta por meio da função ode45 pré-existente

no MATLAB para a obtenção da solução no tempo. No cálculo do coeficiente de

transferência de calor bifásico, foram utilizadas correlações empíricas de modo que

sejam função do título da mistura líquido e vapor.

4.1 Modelagem termo-hidrodinâmica: Tubo de calor pulsante

Para obter um modelo matemático que descreva o comportamento dinâmico

de um sistema, é necessário realizar algumas análises de modo a permitir obter uma

visão clara do objeto de estudo. Esta seção tem como objetivo identificar os

parâmetros que são importantes para o funcionamento do sistema e realizar

simplificações de modo a permitir obter um modelo matemático simples que capte os

fenômenos físicos que pretende-se estudar.

Na sequência, são apresentadas 3 fases principais do processo de

modelagem, caracterizadas pelos seguintes itens:

Definição dos volumes de controle

Hipóteses simplificadoras

Modelo matemático - Equacionamento

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35

4.2 Definição dos volumes de controle

As figuras apresentadas a seguir ilustram os volumes de controle definidos

para a aplicação das leis de conservação de massa, momento e energia. De um

modo geral, este modelo visa representar o trocador de calor operando em regime

específico, tal como escoamento pistonado apresentado anteriormente. É importante

observar na figura 14 que foram definidas unidades de sistemas referidas como

mistura constituídas de pistões de líquido e bolhas de vapor. Outro fator importante a

ser notado é a indexação dos elementos de forma crescente e de maneira que para

um sistema i-th de mistura líquido/vapor, a i-th bolha de vapor vem antes do i-th

pistão de líquido.

Figura 14 - Definição da indexação dos elementos das misturas de líquido e vapor

Fonte: Elaborado pelo autor.

Observando a figura 15, é importante notar que cada pistão de líquido e bolha

de vapor, trocam calor com os evaporadores e condensadores da tubulação,

delimitados pelas suas respectivas áreas da interface fluido/sólido. Outro fator

importante neste modelo é a formulação de modo que a transferência de massa

líquida e vapor ocorra apenas entre cada i-th elemento de mistura líquido/vapor, ou

seja, quando a massa do i-th pistão de líquido sobre evaporação liberando uma

certa quantidade de massa na forma de vapor, esta i-th massa de vapor não se

mistura com os elementos i+1 e nem i-1, limitando-se apenas a misturar-se com a i-

th massa de vapor da i-th bolha. Este raciocínio é semelhante se referido a

condensação da massa da bolha de vapor.

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36

Figura 15 - Definição dos volumes de controle

Fonte: Elaborado pelo autor (Figura fora de escala).

4.3 Hipóteses simplificadoras

A seguir são apresentadas as hipóteses adotadas para auxiliar no

equacionamento do modelo.

H1 – Só ocorrem trocas de massas na forma de vapor e líquido dentro de cada i-th

elemento de mistura líquido/vapor.

H2 – Líquido incompressível.

H3 – Perda de carga monofásica.

H4 – Propriedades uniformes nos volumes de controle dos fluidos.

H5 – Temperatura uniforme no evaporador e no condensador.

H6 – Velocidade das fronteiras do volume de controle deformável muito menor do

que a velocidade do fluxo de massa que cruza a fronteira do volume de controle.

H7 – Energias cinética e potencial são desprezadas.

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37

4.4 Modelo matemático - Equacionamento

4.4.1 Conservação de momento

No equacionamento da conservação de momento, utilizou-se a abordagem de

sistema sobre os pistões de líquido (abordagem Lagrangeana), tratando-os como

corpos rígidos, de forma a permitir monitorar suas posições e avaliar as oscilações

com o intuito de tentar identificar regimes de funcionamento do sistema. Existem

basicamente 4 forças atuando nos pistões de líquido simultaneamente de forma a

definir a dinâmica do sistema, identificadas como força de pressão das bolhas de

vapor, força de atrito viscoso devido a interação fluido-sólido, força de capilaridade

devido o ângulo de contato nas extremidades dos pistões de líquido e força peso

devido o campo gravitacional.

A figura 16 apresentada a seguir ilustra o diagrama de corpo livre do sistema

analisado e na sequência são apresentadas as equações que descrevem

matematicamente as forças atuantes sobre os pistões de líquido.

Figura 16 - Conservação do momento linear do pistão de líquido

Fonte: Elaborado pelo autor.

(24)

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38

4.4.2 Força de pressão das bolhas de vapor

As forças de pressão das bolhas de vapor atuando sobre o pistão de líquido

consistem basicamente de pressões atuando na interface líquido-vapor delimitadas

pela área da seção transversal da tubulação. Considerando os índices de

numeração dos pistões de líquido e bolhas de vapor apresentados na figura 16,

temos:

(25)

(26)

(27)

(28)

Onde:

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39

4.4.3 Força de atrito viscoso

A força de atrito viscoso aparece como resultado da tensão de cisalhamento

na interface pistão de líquido – parede interna da tubulação.

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

Considerando o modelo de atrito monofásico quantificado com base no fator

de atrito f, tem-se para a queda de pressão:

(35)

Fazendo as devidas substituições e isolando a força de atrito viscoso, temos

para cada pistão de líquido cuja velocidade seja :

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40

(36)

Onde:

(37)

Realizando a linearização da equação da força de atrito viscoso por meio da

série de Taylor, permite (como mostrado posteriormente) montar o sistema de

equações diferenciais na forma matricial. Considerando a expansão em série de

Taylor até o segundo termo de uma equação f(x) qualquer em torno do ponto ,

temos:

(38)

Aplicando este conceito à equação da força de atrito viscoso:

(39)

Realizando a derivada da equação da força de atrito viscoso em relação à

velocidade do pistão de líquido, obtêm-se:

(40)

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41

(41)

Substituindo, temos:

(42)

(43)

(44)

Onde os coeficientes são:

(45)

(46)

Onde as variáveis são:

O fator de atrito pode ser calculado pela equação explícita de Swamee – Jain,

como aproximação da equação implícita de Colebrook – White e baseada no

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42

diagrama de Moody (Figura 17), onde considera-se o diâmetro do tubo, numero de

Reynolds do escoamento e a rugosidade relativa da parede interna da tubulação.

Figura 17 - Diagrama de Moody representando o fator de atrito

Fonte: White, F.M – Fluid Mechanics 4th Ed, McGraw Hill, 2007.

O fator de atrito para escoamento turbulento pode ser calculado pela equação

explícita (47) de Swamee – Jain (1976) e para escoamento laminar, pode ser

calculada pela equação (48) de Darcy. Cujo número de Reynolds crítico

representando a transição de regime laminar para turbulento é

(47)

(48)

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43

4.4.4 Força de capilaridade

A força de capilaridade surge como efeito da diferença de pressão nas

extremidades do pistão de liquido devido aos diferentes ângulos de contato que

sofrem alterações à medida que o pistão de liquido se move. Definindo como

ângulos de contato frontal e traseiro os seguintes índices:

Figura 18 - Ângulos de contato: frontal e traseiro

Fonte: Elaborado pelo autor.

Um parâmetro frequentemente utilizado para expressar a importância relativa

das forças de capilaridade é o número de capilaridade admensional ( ),

representando a razão entre força viscosa e força de capilaridade (Berthier, J; 2008).

(49)

Onde:

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44

A relação entre ângulo de contato e número de capilaridade foi estabelecida

inicialmente por Hoffman baseada em trabalhos experimentais, no entanto, Voinov e

Tanner estabeleceram uma correlação mais simplificada apresentada abaixo.

(50)

(51)

Onde:

Estas correlações mostram que à medida que o pistão de líquido escoa

através da tubulação, os ângulos de contato frontal e traseiro tornam-se diferentes,

de maneira que o ângulo de contato frontal aumente e o ângulo de contato traseiro

diminua, apresentando diferença de pressão entre as extremidades dos pistões de

líquido. A equação a seguir apresenta o cálculo da diferença de pressão entre as

extremidades dos pistões de líquido.

(52)

Substituindo as equações (50) e (51) em (52) e linearizando por meio da

expansão em série de Taylor nos termos cossenos (Berthier, J. 2008), temos:

(53)

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45

Considerando a diferença de pressão nas extremidades dos pistões de líquido

devido à capilaridade, pode-se calcular a força atuante delimitada pela área da

seção transversal.

(54)

(55)

Onde:

(56)

(57)

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46

4.4.5 Força peso

Para determinação da força peso atuante sobre os pistões de líquido, foi

necessário verificar a orientação do campo gravitacional com relação ao trocador de

calor e determinar o sentido da aceleração da gravidade para cada setor do

evaporador, condensador e seções adiabáticas. Portanto, foi criado um coeficiente

que multiplica a força peso e que assume os valores -1, 0 e 1 de acordo com a

posição de cada pistão de líquido como apresentado na equação e na figura 19

apresentada a seguir.

(58)

Figura 19 - Determinação da orientação do campo gravitacional

Fonte: Elaborado pelo autor.

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47

4.4.6 Montagem da equação de conservação de momento linear

Substituindo as equações (25), (44), (55) e (58) em (24), obtemos as

equações diferenciais que representam o comportamento dinâmico dos pistões de

líquido, apresentadas a seguir.

(59)

(60)

(61)

(62)

Onde:

(63)

(64)

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48

4.4.7 Conservação de energia e massa

Considerando o volume de controle definido na figura 15 e aplicando a

equação de conservação de energia, foram obtidas equações diferenciais que

descrevem o comportamento termodinâmico do sistema e que representam como a

transferência de calor afeta a temperatura e pressão das bolhas de vapor,

influenciando as forças que atuam sobre os pistões de líquido e definindo o regime

de oscilação do sistema.

Aplicando o teorema do transporte de Reynolds para um volume de controle

que se move e se deforma, pode-se obter a equação de conservação de energia

como apresentado a seguir.

(66)

(67)

(68)

(69)

Onde:

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49

A existência da velocidade relativa deve-se ao fato da deformação e

movimento do volume de controle, no entanto, neste modelo, considera-se a

velocidade da superfície muito menor do que a velocidade do fluxo de massa que

atravessa as fronteiras do volume de controle. Portanto, considerando a hipótese

H6, supracitada, temos:

Considerando que o termo de trabalho de pressão pode ser combinado com o

termo de fluxo de energia, uma vez que ambos envolvem integrais de superfície e

considerando a entalpia como soma da energia interna e da parcela de trabalho de

escoamento, temos:

(70)

Desprezando os termos de energia cinética e potencial, e adotando

propriedades uniformes ao longo de todo volume de controle, obtêm-se:

(71)

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50

Considerando que cada unidade de mistura liquido-vapor mantenha sua

massa como mencionado na hipótese H1, temos:

Definindo as massas de liquido e vapor como função do título da mistura:

(72)

(73)

(74)

Considerando que toda massa de vapor presente na bolha de vapor que sofre

condensação saia do volume de controle vapor e entre no volume de controle

líquido, e considerando que toda massa de liquido que sofre vaporização saia do

volume de controle liquido e entre no volume de controle vapor, temos para o volume

de controle vapor:

(75)

(76)

(77)

Tendo em vista que ao longo da simulação, evaporação e condensação não

ocorrem simultaneamente para um volume de controle definido para cada i-th

mistura de liquido e vapor. Quando ocorre evaporação só existe massa escoando do

volume de controle liquido para o volume de controle vapor e quando ocorre

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51

condensação, só existe massa escoando do volume de controle vapor para o

volume de controle líquido, portanto:

(78)

(79)

Expandindo o primeiro termo do lado direito da equação (71) e considerando

relação linear entre energia interna e temperatura, temos:

(80)

(81)

Substituindo (78/79) e (81) em (71), temos:

(82)

Substituindo (82) em (71):

(83)

Para efeito de análise, considerando que a mistura recebe calor com a

tendência de aumentar o título e considerando que em um pequeno intervalo de

tempo a temperatura não sofra grandes variações , temos:

(84)

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52

Como mencionado anteriormente, quando o volume de controle recebe calor

e apresenta a tendência de aumento de título de vapor, a massa de fluido que sai do

volume de controle vapor deve ser nula, e vice-versa quando ocorre condensação,

de modo que este controle seja feito por funções condicionais (“if”) ao longo do

programa implementado no MATLAB. Neste sentido, temos:

(85)

Como em geral, a energia interna do vapor saturado é maior do que a entalpia

do líquido saturado , temos:

(86)

Portanto, se a mistura líquido/vapor receber calor da fonte quente, o título

aumenta.

(87)

O critério que determina se ocorre evaporação ou condensação, é baseado

na temperatura de saturação para a pressão em que a mistura está submetida. No

cálculo da temperatura de saturação, foi utilizado o programa Engineering Equation

Solver (EES) para obtenção de uma equação de interpolação apresentada a seguir.

Gráfico 7 – Temperatura de saturação da água para diferentes pressões

Fonte: Elaborado pelo autor

y = 21.194ln(x) - 1.1605 R² = 0.9939

0

25

50

75

100

0 20 40 60 80 100

Tem

per

atu

ra d

e Sa

tura

ção

[C

]

Pressão [kPa]

Temperatura de Saturação

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53

O somatório de calor que é trocado com o volume de controle consiste nas

parcelas de calor recebido do evaporador e cedido para o condensador.

(88)

Fazendo as devidas substituições e agrupando alguns termos, obtêm-se:

(89)

(90)

Onde os coeficientes são:

(91) (92)

Realizando o mesmo procedimento para o volume de controle liquido, obtêm-

se a seguinte equação:

(93)

Onde os coeficientes são:

(94)

(95)

(96)

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54

4.4.8 Conservação de energia no evaporador

Considerando o evaporador como um sistema que troca calor com todos os

elementos fluidos que estão em contato com a tubulação na seção de evaporação

em cada instante de tempo, pode-se aplicar a equação de conservação de energia

para sistema e obter o comportamento da temperatura do evaporador ao longo do

tempo. Como simplificação adotou-se propriedades do material da tubulação

constantes ao longo do tempo e uniformes ao longo de todo comprimento. Adotou-

se também uma única temperatura para todas as seções do evaporador que são

intercaladas por seções adiabáticas e seções do condensador e como condição de

contorno, aplicou-se fonte de calor externa.

(97)

Agrupando alguns termos e escrevendo a equação diferencial para a

temperatura do evaporador, temos:

(98)

Onde os coeficientes são:

(99)

(100)

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55

4.4.9 Montagem do sistema de equações diferenciais

Agrupando as equações que representam a conservação de momento, massa

e energia para cada mistura de fluido (líquido-vapor) e para o evaporador, obtêm-se

o sistema de equações diferenciais que descrevem a dinâmica do sistema e que

representam o trocador de calor com escoamento bifásico com múltiplas bolhas de

vapor e pistões de líquidos oscilando conforme a transferência de calor.

(101)

Agrupando os termos das equações de conservação de energia para os

volumes de controle de vapor e liquido, temos:

(102)

Onde os coeficientes são:

(103)

(104)

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(105)

(106)

(107)

(108)

Escrevendo na forma matricial, obtêm-se:

(109)

Multiplicando todos os termos pela inversa da matriz , temos:

(110)

Onde:

(111)

(112)

Utilizando esse modelo, têm-se como variáveis de saída os seguintes parâmetros:

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58

4.5 Método de resolução – ALGORITMO

A figura 20 apresentada a seguir ilustra um diagrama que representa o

método utilizado na resolução do modelo do trocador de calor de tubos pulsantes,

apresentando uma visão global do algoritmo adotado.

Figura 20 - Algoritmo implementado em código no programa MATLAB

Fonte: Elaborado pelo autor.

Para garantir uma condição inicial possível de ser realizada

experimentalmente e que possibilite comparar os resultados das simulações com

resultados de outros autores, foi introduzido um equacionamento que relaciona a

massa total de cada mistura de líquido e vapor em função do número de graus de

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liberdade (NGL) do sistema e do Filling Ratio (FR), que corresponde a razão entre o

volume de fluido na fase líquida e o volume interno total da tubulação.

Considerando a mesma massa inicial para todas as misturas de liquido e

vapor presente no sistema, temos:

(113)

(114)

(115)

(116)

(117)

(118)

(119)

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5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Com base no modelo analítico proposto neste trabalho, foram realizadas

simulações com o objetivo de comparar os resultados obtidos com trabalhos teóricos

e experimentais de outros autores. Tendo em vista que este trabalho foi baseado no

trabalho teórico de Gursel et al (2014), as dimensões do trocador de calor utilizadas

foram as mais próximas possíveis do modelo estudado, não sendo exata devido a

omissão de valores de algumas dimensões nos trabalhos de pesquisa utilizados

como referência. As condições de contorno utilizadas também foram baseadas nos

trabalhos de pesquisa estudados, onde foram considerados fluxo de calor uniforme e

constante no evaporador e temperatura uniforme e constante no condensador. Para

efeito de análise de performance do trocador de calor e validação do modelo

analítico, foi utilizada uma única temperatura no condensador no valor de 25 graus

Celsius e diferentes potências térmicas sendo admitidas no evaporador para

diferentes simulações, variando entre 10 Watts e 50 Watts, permitindo avaliar a

resistência térmica equivalente do trocador de calor. A figura 21 apresentada a

seguir ilustra as dimensões do tubo de calor pulsante.

Figura 21 - Dimensões do PHP e condições de contorno

Fonte: Elaborado pelo autor.

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A tabela a seguir apresenta os comprimentos e áreas das seções de troca de

calor e da tubulação inteira.

Tabela 2 - Dimensões de trocador de calor

Comprimento [mm] Área [mm²]

Evaporador 496,93 3122,3

Condensador 509,73 3202,7

Trocador de calor 1500 9424,8

Fonte: Elaborado pelo autor

Nas simulações foram utilizadas propriedades constantes do fluido de

trabalho, cujos valores foram obtidos por meio do programa Engineering Equation

Solver (EES) e na temperatura de saturação de 60 ºC, como utilizado por Gursel et

al (2014). A tabela a seguir apresenta os valores utilizados.

Tabela 3 - Propriedade do fluido e número de elementos do sistema

Líquido (Título = 0) Vapor (Título = 1)

Fluido de trabalho Água

Filling Ratio (FR) 60 %

Número de Graus de Liberdade (NGL) 5

Densidade [kg/m³] (@Tsat = 60ºC) 983.2 0.1303

Viscosidade [Pa.s] (@Tsat = 60ºC) 0.0004666 0.00001093

Fonte: Elaborado pelo autor

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5.1 Avaliação do coeficiente de transferência de calor sobre o comportamento

oscilatório do fluido

Os gráficos a seguir apresentam os resultados obtidos com a simulação do

tubo de calor pulsante, onde foram utilizados 30 Watts de potência térmica no

evaporador e coeficiente de transferência de calor bifásico, cujos valores se

encontram entre e .

Gráfico 8 – Velocidade dos pistões de líquido.

Gráfico 9 – Posição dos pistões de líquido

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.Gráfico 10 – Títulos das misturas de líquido e vapor.

Gráfico 11 – Temperaturas das misturas líquido/vapor

Nota-se com os gráficos apresentados acima que houve pouca atividade

oscilatório por parte dos pistões de líquido e verifica-se também que a temperatura

do fluido de trabalho e do evaporador ficaram muito próximas da temperatura do

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condensador. Este fato deve-se aos altos valores utilizados nos coeficientes de

transferência de calor bifásicos obtidos por meio de correlações empíricas, fazendo

com que o calor seja facilmente extraído do evaporador e mais facilmente ainda

dissipado no condensador, não permitindo um aquecimento do evaporador e um

consequente aquecimento do fluido de trabalho, impedindo a expansão das bolhas

de vapor e o aumento da atividade oscilatório dos pistões de líquido.

Com o intuito de investigar se de fato os coeficientes de transferência de calor

estavam muito altos na simulação, foram realizadas simulações mantendo-se

valores fixos de coeficiente de transferência de calor para diferentes condições. Os

gráficos a seguir apresentam alguns resultados obtidos utilizando-se Potência no

evaporador de 30 [W] e coeficientes de transferência de calor da ordem de 400

[W/m².K].

Gráfico 12 – Velocidade dos pistões de líquido.

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Gráfico 13 – Posições dos pistões de líquido.

Gráfico 14 – Título das misturas de líquido e vapor.

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Gráfico 15 – Temperaturas das misturas de líquido/vapor e do evaporador.

De fato os resultados apresentados acima confirmam as afirmações

supracitadas. Na medida em que os coeficientes de transferência de calor foram

diminuídos, possibilitaram uma transferência de calor menos eficiente, permitindo um

aumento da temperatura do evaporador e um consequente aumento da temperatura

do fluido de trabalho, permitindo a expansão das bolhas de vapor e aumento da

atividade oscilatória dos pistões de líquido.

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5.2 Avaliação da temperatura do evaporador para diferentes potências

admitidas no evaporador

Para avaliar a temperatura do evaporador para diferentes potências térmicas

admitidas no evaporador, foram realizadas simulações mantendo-se valores fixos

para os coeficientes de transferência de calor. Como utilizado por Gursel et al

(2014), adotou-se as seguintes condições para o cálculo dos coeficientes de

transferência de calor.

Escoamento laminar

Fluxo de calor no evaporador uniforme e constante

Temperatura no condensador uniforme e constante

Gráfico 16 – Temperatura do evaporador para diferentes potências térmicas

admitidas no evaporador

.

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5.3 Avaliação da Resistência Térmica Equivalente

Avaliando a resistência térmica equivalente do sistema como um todo, é

possível inferir sobre a performance do dispositivo com relação à eficiência em

transferir calor da fonte quente (evaporador) para a seção fria (condensador). O

gráfico a seguir ilustra a Resistência Térmica equivalente para diferentes condições

de operação, em termos de coeficiente de transferência de calor adotado e potência

térmica admitida no evaporador.

Gráfico 17 – Resistência térmica equivalente.

Analisando o gráfico acima é possível verificar a baixa resistência térmica do

dispositivo quando se utiliza correlações empíricas de escoamento bifásico para o

cálculo do coeficiente de transferência de calor. Desse modo, a eficiência do

dispositivo quanto à capacidade de dissipar o calor, fica superdimensionada, de

modo que não corresponde aos reais resultados experimentais obtidos por outros

pesquisadores. Por outro lado, na medida em que foram realizadas simulações com

coeficientes de transferência de calor mais baixos, as curvas que representam as

resistências térmicas, foram aumentando até se aproximarem da curva cujos

3.33

2.46

1.96 1.75

1.52

2.52

2.51

1.47 1.37

1.09

1.50 1.49

1.43 1.27 1.16

0.50 0.50 0.45 0.50 0.46 0.31

0.21 0.14 0.10 0.08 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 10 20 30 40 50 60

Re

sist

ên

cia

Térm

ica

eq

uiv

ale

nte

[K

/W]

Qevap [W]

Gursel et al

h_evap = 1300 e h_cond = 45

h_evap = 400 e h_cond = 100

h_evap = 1000 e h_cond = 500

h_bifásico: entre (10^3) e (10^4)

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resultados foram apresentados por Gursel et al (2014) e que se aproximam dos

resultados experimentais apresentados por Kandekhar et al (2003).

5.4 Avaliação da influência da gravidade

Para avaliar a influência da gravidade sobre a dinâmica do sistema, foram

utilizados diferentes ângulos de inclinação do trocador de calor de forma a

simular a redução ou ausência de campo gravitacional. A figura (22) apresenta o

sentido de medição do ângulo de inclinação e os gráficos (18) e (19) apresentam a

posição do CG ao longo do tempo para cada inclinação utilizada. Para essas

simulações, utilizou-se a potência no evaporador de 30 [W], coeficiente de

transferência de calor no evaporador de 1300 [W/m².K] e no condensador 1000

[W/m².K].

Figura 22 - Ângulo de inclinação do trocador de calor em relação a horizontal.

Fonte: Elaborado pelo autor.

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Gráfico 18 – Posição do CG para diferentes inclinações do trocador de calor.

Gráfico 19 – Posição do CG para diferentes inclinações do trocador de calor (zoom

do gráfico 18).

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71

Nota-se que atividade oscilatória diminuiu quando se utilizou ângulo de

inclinação igual à zero, representando um trocador de calor completamente na

horizontal. A frequência de oscilação foi reduzida e a amplitude aumentada.

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6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Desenvolveu-se um modelo teórico de parâmetros agrupados com múltiplos

graus de liberdade, baseado nas leis de conservação de massa, momento e energia,

para simulação de um tipo especial de trocador de calor passivo conhecido como

tubos de calor pulsantes (Pulsating Heat Pipe). A simulação permite avaliar o

escoamento e a transferência de calor, analisando a posição de cada pistão de

líquido ao longo do tempo, permitindo obter as frequências e amplitudes de

oscilação, observar o amortecimento do sistema e avaliar a eficiência da

transferência de calor.

Foram realizadas análises comparativas, permitindo avaliar o desempenho do

modelo frente a resultados experimentais e teóricos, onde foi possível verificar que o

coeficiente de transferência de calor tem grande influência sobre os resultados da

simulação, sendo necessário o uso de correlações mais adequadas ao regime de

funcionamento deste tipo de dispositivo.

Com base nos resultados apresentados, conclui-se que as correlações

empíricas utilizadas no cálculo do coeficiente de transferência de calor apresentaram

valores elevados, superestimando a eficiência do trocador de calor e apresentando

como resultado baixas resistências térmicas equivalentes. Nota-se também que a

medida que utilizou-se valores mais baixos de coeficientes de transferência de calor,

os resultados se aproximaram dos resultados apresentados por Gursel et al (2014) e

Khandekar et al (2003).

Como estudos futuros, propõe-se realizar pesquisas sobre correlações mais

adequadas para a transferência de calor de escoamento bifásico em tubos de

pequenas dimensões e avaliar a intensidade dos valores apresentados de modo a

permitir sua utilização no modelo proposto neste trabalho. Uma vez que se obtenha

um modelo que represente com mais qualidade os fenômenos que ocorrem durante

a aplicação deste tipo de dispositivo, propõe-se realizar um estudo sobre a

performance térmica em função do parâmetro denominado Filling Ratio, que consiste

na razão entre o volume de fluido na fase líquida que foi adicionado ao sistema e o

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volume total da tubulação. Outro fator igualmente importante é o valor da aceleração

do campo gravitacional, de modo que se realize um estudo para verificar sua

influência no regime oscilatório e na performance térmica desempenhada pelo

dispositivo, tendo em vista que uma das grandes aplicações para este tipo de

trocador de calor é a utilização em sistema aeroespaciais e principalmente na

refrigeração de sistemas eletrônicos embarcados.

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74

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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