Análise experimental da ebulição em canais de diâmetro reduzido: efeitos do diâmetro, do fluido e da temperatura

A utilização de trocadores de calor com canais de diâmetro reduzido vem crescendo devido à demanda por trocadores de calor compactos, que permitam altas taxas de transferência de calor, baixa perda de pressão e redução da carga de fluido refrigerante e de custo de materiais. O presente trabalho analisa a ebulição convectiva através de canais de pequeno diâmetro e a influência de alguns parâmetros operacionais no coeficiente de transferência de calor e na queda de pressão. São apresentados os resultados de três estudos experimentais para avaliar a influência do fluido de trabalho, do diâmetro do canal e da temperatura de saturação. Na primeira análise, é estudada a ebulição do isobutano, R600a, e do propano, R290, em um canal com 1,0 mm de diâmetro interno, com fluxo de massa na faixa de 240 a 480 kg m-2 s-1, fluxo de calor de 5 a 60 kW m-2 e temperatura de saturação de 25°C. Na segunda análise, é estudada a ebulição do R600a em canais com diâmetros de 1,0 e 2,6 mm, temperatura de saturação de 22°C, com variações do fluxo de massa de 188 a 377 kg m-2s-1 e do fluxo de calor de 28 a 56 kW m-2. Por fim, na terceira análise, a ebulição do R600a em um canal de 1,0 mm de diâmetro foi estudada com duas temperaturas de saturação, 20 e 30°C, com fluxo de massa de 240 a 480 kg m-2 s-1 e fluxo de calor de 20 a 60 kW m-2. São avaliados os efeitos do fluxo de massa, do fluxo de calor e do título de vapor, sobre o comportamento do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão por atrito. A análise do fluido de trabalho mostrou que, de modo geral, o R600a apresenta os maiores coeficientes de transferência de calor e perdas de pressão por atrito. Da análise da influência do diâmetro do canal observou-se que, para todas as condições experimentais, o coeficiente de transferência de calor foi superior no canal de 1,0 mm. Os resultados mostraram também que os maiores coeficientes de transferência de calor foram obtidos com a temperatura de saturação de 30°C. Complementando as análises, foram avaliados os padrões de escoamento, através das imagens registradas, e os modelos de mapas de padrões comparando os dois fluidos. Os modelos que melhor se ajustaram às curvas foram os de Revellin e Thome (2007b) e Ong e Thome (2011). Algumas correlações para transferência de calor propostas para mini e micro canais foram avaliadas com dados experimentais, de onde observou-se que, de modo geral, a correlação de Kim e Mudawar (2013b) apresentou o melhor ajuste, dentre as correlações avaliadas.