Ebulição nucleada do dióxido de carbono sobre uma superfície de cobre plana vertical em espaços confinados

Abstract

A preocupação com os gases de efeito estufa e seus impactos no aquecimento global é um dos motores da pesquisa de fluidos refrigerantes mais ecológicos. Nesse contexto, o dióxido de carbono (CO2) ressurgiu como uma alternativa aos refrigerantes sintéticos, devido ao seu Potencial de Destruição do Ozônio (ODP) igual a zero e Potencial de Aquecimento Global (GWP) igual à unidade. O CO2 ? que quando tratado como fluido refrigerante é denominado R-744 ? é um fluido natural, abundante, barato, não tóxico e não inflamável. A ebulição nucleada tem, como principal característica, a transferência de elevados fluxos de calor para pequenas diferenças de temperatura entre a superfície aquecida e o fluido refrigerante, o que permite projetar trocadores de calor menores e mais compactos. O processo de ebulição em piscina tem sido desenvolvido em sistemas de resfriamento em diferentes aplicações de engenharia que envolvem a dissipação de energia térmica, como eletrônicos de alta potência, trocadores de calor, evaporadores inundados e reatores nucleares. A ebulição nucleada confinada em um espaço muito estreito possui características de transferência de calor que podem ser diferentes daquelas da ebulição convencional não confinada. Entretanto, dados experimentais para a ebulição nucleada do CO2 são escassos na literatura aberta. Assim, a fim de compreender o comportamento do dióxido de carbono durante a ebulição nucleada com confinamento, este estudo apresenta resultados experimentais em uma superfície de cobre plana vertical, com e sem confinamento. As condições de teste incluem uma pressão de saturação de 2,8 MPa e fluxos de calor de 56 até 309 kW/m², sem confinamento e com confinamento de 0,8, 0,5 e 0,3 mm, que encontraram os números de Bond de 0,97, 0,61 e 0,36, respectivamente. Os resultados experimentais demonstraram uma tendência de aceleração da erosão parcial na superfície com a diminuição da distância de confinamento. Os resultados do coeficiente de transferência de calor experimentais foram comparados com dados e correlações da literatura. Para o caso sem confinamento, os coeficientes de transferência de calor experimentais mostraram uma boa concordância com as correlações propostas para o CO2.

Abstract: The concern about greenhouse gases and their impacts on global warming is one of the driving forces behind research on more environmentally friendly fluids. In this context, carbon dioxide (CO2) has re-emerged as an alternative to synthetic refrigerants, due to its zero Ozone Depletion Potential (ODP) and Global Warming Potential (GWP) equal to unit. CO2 - when treated as a refrigerant it?s called R-744 ? is a natural, abundant, cheap, non-toxic, and non-flammable fluid. The nucleate boiling has, as the main characteristic, the transfer of high heat fluxes to lower temperature differences between the heating surface and the refrigerant, which allows designing more compact and smaller heat exchangers. The pool boiling process has been used in refrigeration systems in various engineering applications involving thermal energy dissipation, such as high-power electronics, heat exchangers, flooded evaporators, and nuclear reactors. Confined nucleate boiling in a very narrow space has heat transfer characteristics that may be different from those of conventional unconfined boiling. However, experimental data for CO2 nucleate boiling are scarce in the open literature. Thus, to understand the behavior of carbon dioxide during nucleate boiling with confinement, this study presents experimental results on a vertical copper surface, with and without confinement. Test conditions include a saturation pressure of 2.8 MPa and heat fluxes ranging from 56 to 309 kW/m², without confinement and with confinement of 0.8, 0.5, and 0.3 mm, which yields Bond numbers of 0.97, 0.61, and 0.36, respectively. The experimental results demonstrated a tendency to accelerate the partial dryout on the surface with the decreasing confinement distance. The experimental heat transfer coefficient results were compared with literature data and correlations. For the case without confinement, the experimental heat transfer coefficients showed good agreement with the proposed correlations for CO2.