1 Intro+ebuliçãopiscina

Prévia do material em texto

Engenharia QuímicaTransferência de calor e massa II
Transferência de calor por 
Ebulição
 Prof. Elmo Sena
TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM EBULIÇÃO
• Quando a temperatura do líquido é elevada até a sua temperatura de saturação ocorre a ebulição;
• Quando a temperatura do vapor é reduzida até sua temperatura de saturação o ocorre a condensação.
Como calcular a tranferência de calor nessas condições (ebulição ou condensação?)
TRANSFERÊCIA DE CALOR EM EBULIÇÃO
• EVAPORAÇÃO: Ocorre na interface líquido-vapor, quando a pressão de vapor é menor do que a pressão de saturação do líquido a uma determinada temperatura. 
• EBULIÇÃO: Ocorre na interface sólido-líquido, quando o líquido é colocado em contato com uma superfície mantida a uma temperatura suficiente acima da temperatura de saturação do líquido.
O fluxo de calor na ebulição, de uma superfície sólida para um fluido
Temperatura de excesso - Representa o excesso 
de temperatura da super f í c ie ac ima da 
temperatura de saturação do fluido.
• É chamada ebulição em piscina na ausência de escoamento de massa de fluido.
• Ebulição em escoamento quando da presença de movimento forçado for forças externas (bombas, por exemplo).
CLASSIFICAÇÃO DA EBULIÇÃO DE ACORDO COM O MOVIMENTO DO FLUIDO
Ebulição em piscina
Ebulição em escoamento
Ebulição subresfriada: Quando a temperatura do líquido é inferior à temperatura saturada.
Ebul i ção Saturada: Quando a temperatura do líquido saturado é igual a temperatura de saturação.
As ebulições em piscina e em escoamento também são classificadas em função da temperatura da 
massa do fluido.
 EBULIÇÃO EM PISCINA
• Na ebulição em piscina, o fluido não forçado a escoar por meio da ação de uma bomba.
• Qual movimento do fluido é devido as correntes de convecção natural e ao movimento das bolhas.
Ebulição em regime e curva de ebulição
• Ocorre com frequência mais ainda não é compreendida totalmente;
• Dependedo da temperatura de excesso 4 modos podem ser observados.
Ebulição por convecção Natural
(até o ponto A na curva de ebulição)
• O líquido é ligeiramente aquecido neste caso (estado metaestável);
• O m o v i m e n t o d o f l u i d o n e s t a modalidade é ebulição é governado pelas correntes de convecção natural.
• Não há nenhuma formação de bolha sobre a superfície de aquecimento até o líquido ser aquecido alguns graus acima da temperatura de ebulição de saturação (cerca de 2 a 6°C para água);
Ebulição Nucleada 
(entre os pontos A e C)
• As bolhas se formam a uma taxa crescente em número crescente de pontos de nucleação a medida que caminhamos ao longo da curva de ebulição em direção ao ponto C.
• Na região A-B, bolhas isoladas se formam em diversos pontos
• Na região B-C, numerosas colunas contínuas de vapor no líquido
Ponto A: Aparecimento da ebulição nucleada
• Entre as regiões A-B: A agitação provocada pelo deslocamento do líquido para a superfície de aquecimento é essencialmente responsável pelo aumento do coeficiente de transferência de calor e do fluxo de calor na região da ebulição nucleada.
• Regiões A-B: Os grandes fluxos de calor obtidos nessa região são causados pelo efeito combinado do deslocamento de líquidos e da evaporação.
• Depois do ponto B: O fluxo de calor aumenta em uma menor taxa com o aumento da temperatura de excesso e chega ao máximo no ponto C.
• O fluxo de calor no ponto C é chamado de fluxo de calor crítico e é de grande importância para a engenharia.
Ebulição de transição (entre os 
pontos C e D)
• Neste caso, tanto a ebulição nucleada como a de película ocorrem parcial mente.
• Esta situação é evitada na prática.
• Quando a temperatura de excesso aumenta além do 
ponto C o fluxo de calor diminui.
• Isto acontece porque grande parte da superfície do aquecedor é coberta por uma película de 
vapor que atua com um isolante térmico.
Ebulição de película (além do 
ponto D)
• A presença da película de vapor entre a superfície do aquecimento e do líquido é r e s p o n s á v e l p e l a s b a i x a s t a x a s d e transferência de calor nesta região.
• A taxa de transferência de calor aumenta com o aumento do excesso de temperatura devido 
a radiação para o líquido.
• Além do ponto D o aquecedor é totalmente coberto por uma película de vapor contínua e 
estável.
• No ponto D, o fluxo de calor chega ao mínimo e é conhecido como ponto de Leidenfrost.
Correlações de transferência de calor 
em regime de ebulição em piscina
• Os modos de ebulição diferem consideravelmente em suas caractertísticas.
• Os cálculos de transferência de calor para cada modo de ebulição são diferentes.
• Na relação de convecção natural a tranferência de calor pode ser determinada pelas correlações de convecção natural.
Ebulição nucleada
• A taxa de transferência depende fortemente da natureza da nucleação
• São utilizadas correlações experimentais
Curva de ebulição
 VÍDEO 1
Indique o tipo de ebulição em piscina
ebulição nucleada - parte BC da curva
Indique o tipo de ebulição em piscina
ebulição nucleada - parte BC da curva
Indique o tipo de ebulição em piscina
Ebulição transição entre bolha e película CD
Problema prático 2
• Uma empresa estoca combustível diesel em tanques enormes.
• Este líquido não pode permancer estagnado. Este deve está em movimento constante. No entano a implantação agitadores é inviável. 
• Qual seria uma boa solução?Detalhe o procedimento.
Para a condição de ebulição nucleada, proposta por 
Rohsenow é expressa por:
1 - fluxo de calor da ebulição nucleada (W/m2)
2 - Viscosidade do líquido kg/m s
3 - entalpia de vaporização J/kg
4 - aceleração da gravidade m/s2
5 - densidade do líquido kg/m3
6 - densidade do vapor kg/m3
7 - tensão superficial na interface líquido-vapor N/m
8 - calor específico do líquido J/kg °C
9 - Temperatura da superfície do aquecedor J/kg °C 13 - Temperatura de saturação do fluido °C
10 - Constante experimental (n)
12 - Número de Prandtl
11 - constante experimental
VAMOS INDENTIFICAR AS VARIÁVEIS?
Fluxo de calor máximo
• O fluxo de calor máximo na ebulição nucleada em piscina:
• O fluxo de calor máximo é independente da superfície que aquece o fluido, da viscosidade, da condutividade térmica e do calor específico do líquido. 
• O fluxo de calor máximo da superfície é proporcional a hfg, então um fluxo de calor maior é obtido com uma grande entalpia de vaporização.
Fluxo de calor mínimo
• O fluxo de calor mínimo, que ocorre no ponto de 
Leidenfrost, representa o limite mais baixo para o fluxo de calor no modo de ebulição de película.
• O erro estimado para esta fórmula acima pode ser de 50% ou mais. 
Ebulição de Película
O fluxo de calor para a ebulição em película no cilindro horizontal ou esfera de diâmetro (D) é dado por:
• Para elevadas temperaturas (acima de 300°C), transferência de calor por radiação através do filme de vapor torna-se mais s i g n i f i c a n t e e d e v e s e r considerado.
Aumento de transferência de calor em 
ebulição em piscina
• A taxa de transferência de calor em ebulição no 
regime de ebulição nucleada depende fortemente do número de pontos ativos de nucleação na superfície e da taxa de formação de bolhas em 
cada local.
• Portanto, qualquer alteração que reforce a nucleação na superfície de aquecimento também reforçará a transferência de calor em ebulição nucleada.
• Irregularidades na superfície de aquecimento servem como pontos adicionais de nucleação durante a ebulição. Fig 10-13 ao lado.
Exemplo 10-1: Ebulição nucleada de água na panela
1) Água deve ser fervida à pressão atmosférica em uma panela de aço inoxidável polido mecanicamente colocada em cima de uma unidade de aquecimento, como mostrado na abaixo. A superfície interna da parte inferior da panela é mantida a 108°C. Considerando que odiâmetro da parte inferior da panela é 30cm, determine (a) a taxa de transferência de calor para a água e (b) a taxa de evaporação da água.
Exemplo 10-2 Transferência de calor máxima em ebulição nucleada
1) A água no tanque deve ser fervida no nível do mar por um elemento de aquecimento de aço folheado com níquel de 1 cm de diâmetro equipado com fios de resistência elétrica dentro dele, como mostrado na Figura. Determine o fluxo de calor máximo que pode ser alcançadono regime de ebulição nucleada e a temperatura da superfície do aquecedor.
Exemplo 10-3 Ebulição em película de água sobre elemento de aquecimento
1) Água ferve à pressão atmosférica em um elemento de aquecimento horizontal de cobre polido em diâmetro D = 5mm e emissividade de 0,05, imerso em água como mostrado na Figura. Considerando que a temperatura da superfície do fio de aquecimentoé de 350°C, determine a taxa de transferência de calor do fio para a água por unidade de comprimento.