Sistema de ebulição

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Prof. MSc. David Roza José
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Escoamento Bifásico
Ebulição em escoamento forçado interno é associada à formação de bolhas na superfície
interna do tubo aquecido através do qual o líquido escoa. Crescimento e separação de
bolhas é fortemente influenciado pela velocidade do escoamento, e os efeitos
hidrodinâmicos são significativamente distintos daqueles da ebulição em piscina. Este
processo também é acompanhado pela existência de uma variedade de padrões de
escoamento bifásico.
Consideremos o desenvolvimento de um escoamento num tubo vertical, sujeito a um
fluxo de calor constante na superfície; através do qual um líquido move-se para cima.
Transferência de calor para o líquido subresfriado que inicialmente entra no tubo pode
ser calculado através das correlações do capítulo 8, pois é simplesmente uma situação de
convecção forçada de um escoamento monofásico.

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Escoamento Bifásico
Conforme o fluido avança no tubo, a temperatura da parece excede aquela de saturação
do líquido, e a vaporização é iniciada na região de escoamento de ebulição
subresfriada. Esta região é caraterizada por altos gradientes de temperatura, com
formação de bolhas adjacentes à parede aquecida e líquido subresfriado na região
central radial do tubo.
A espessura da região de bolhas aumenta conforme o escoamento avança, e
eventualmente a região central radial do tubo atinge a temperatura de saturação do
fluido. Bolhas passam a poder existir em qualquer região radial. Isto marca o início da
região de escoamento de ebulição saturada.
O título (fração da massa de vapor) aumenta e devido à diferença de densidade do
líquido e do vapor, a velocidade média do fluido um aumenta substancialmente.

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Escoamento Bifásico
O primeiro estágio da região escoamento de ebulição saturada corresponde ao regime
de escoamento com bolhas. Conforme o título aumenta, as bolhas individuais coalescem
formando bolsões de vapor. Esta é a região de escoamento em bolsões.
Este regime é seguido pelo regime de escoamento anular, na qual existe um filme de
líquido na parede do tubo. Este filme move-se ao longo da superfície interna do tubo,
enquanto vapor move-se a uma velocidade maior ao longo do centro do tubo.
Pontos secos eventualmente aparecem na superfície interna do tubo e crescem em
tamanho dentro de uma região de transição. Eventualmente toda a superfície do tubo
torna-se completamente seca, e todo o líquido remanescente está em forma de gotículas
que viajam a uma alta velocidade dentro do centro do tubo num regime de névoa.
Após as gotículas estarem completamente vaporizadas, o fluido consiste somente de
vapor superaquecido num segundo estágio de convecção forçada monofásico.

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Escoamento Bifásico
De maneira geral, o coeficiente de convecção pode aumentar aproximadamente uma
ordem de magnitude através do regime de ebulição subresfriado. Tipicamente, os
menores coeficientes de convecção estão associados na segunda região monofásica (de
vapor), devido à baixa condutividade térmica do vapor.
A seguinte correlação foi desenvolvida para ebulição em regime saturado para tubos
lisos.

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Escoamento Bifásico
Tal que
E o coeficiente Gs,f dependendo da combinação líquido-superfície, com valores
representativos apresentados na Tabela 10.2. O parâmetro de estratificação, f(Fr);
possui valor unitário para tubos horizontais com Fr > 0.04; do contrário f(Fr)=2.63Fr0.3.
Todas as propriedades são avaliadas na temperatura de saturação. hsp vem do inglês
single phase, que é o coeficiente associado à convecção do líquido; obtido através da Eq.
8.62 com as propriedades avaliadas em Tsat.

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Escoamento Bifásico
Pode-se aproximar a titulação da mistura através de:

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Exercícios
Exemplos 10.1 & 10.2 & Exercício 10.40
Exercícios 10.2 10.5 10.7 10.10 10.18 10.23
10.27 10.30 10.32 10.42

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Exemplo 10.1
(1) Identificar a região de ebulição;
(2) Selecionar a correlação adequada;
(3) Selecionar as propriedades do fluido adequada;
(4) Encontrar o fluxo de calor;
(5) Com o fluxo de calor, encontrar potência;
(6) Taxa de evaporação da água vem do balanço de energia entre a potência que aquece
a panela e o calor latente;
(7) Fluxo de calor crítico (crise da ebulição) vem da correlação do fluxo máximo.

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Exemplo 10.2
(1) Identificar a região de ebulição;
(2) Selecionar a correlação adequada;
(3) Selecionar as propriedades do fluido adequada; (vapor d’água tabela A4)
(4) Levar em conta o efeito da radiação;
(5) Calcular o h equivalente;
(6) Calcular a taxa de calor por metro.

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Exercício 10.40
(1) Escolha um regime de velocidade;
(2) Calcule qmax;
(3) Verifique se a desigualdade é satisfeita para o regime de velocidade.