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Estudo experimental do fenômeno da ebulição em um termossifão de vidro

Thermosiphons are devices used to exchange heat and are more efficient than conventional heat exchangers. For the correct dimensioning of the thermosiphons, specific correlations are required for the boiling process that occurs in the evaporator. There are several studies related to obtaining correl...

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Autor principal:	Souza, Diógenes Oliveira de
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Evaporadores Calor - Transmissão Transdutores Coletores solares Escoamento bifásico Evaporators Heat - Transmission Transducers Solar collectors Two-phase flow CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA Engenharia Mecânica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4938
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id	riut-1-4938
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spelling	riut-1-49382020-05-13T06:01:12Z Estudo experimental do fenômeno da ebulição em um termossifão de vidro Experimental study of the boiling phenomenon in a glass thermosiphon Souza, Diógenes Oliveira de Santos, Paulo Henrique Dias dos http://lattes.cnpq.br/5701155189630566 Alves, Thiago Antonini http://orcid.org/0000-0003-2950-7377 http://lattes.cnpq.br/0763708094190677 Cardoso, Elaine Maria https://orcid.org/0000-0002-3676-143X http://lattes.cnpq.br/2115771151798096 Santos, Paulo Henrique Dias dos http://lattes.cnpq.br/5701155189630566 Junqueira, Silvio Luiz de Mello http://lattes.cnpq.br/2213804390733564 Alves, Thiago Antonini http://orcid.org/0000-0003-2950-7377 http://lattes.cnpq.br/0763708094190677 Evaporadores Calor - Transmissão Transdutores Coletores solares Escoamento bifásico Evaporators Heat - Transmission Transducers Solar collectors Two-phase flow CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA Engenharia Mecânica Thermosiphons are devices used to exchange heat and are more efficient than conventional heat exchangers. For the correct dimensioning of the thermosiphons, specific correlations are required for the boiling process that occurs in the evaporator. There are several studies related to obtaining correlations to estimate the boiling heat transfer coefficient, however there is a marked divergence between them; especially with regard to the boiling regimes: nucleated and liquid film. These boiling regimes are related to the heat flow applied to the evaporator and the filling ratio (in relation to the evaporator volume). Therefore, in this work, the boiling regimes in the evaporator of a glass thermosiphon are studied, with water as the working fluid, for a filling ratio of 100%, varying the heat transfer rate applied to the evaporator from 110 to 150 W. For this study, an experimental set up was designed and built at NUEM / UTFPR to test the thermosiphon, which was instrumented with temperature sensors, pressure transducers and two resistive mesh sensors (Wire-mesh sensor). The experimental data obtained were used to estimate the boiling heat transfer coefficient both by correlations in the literature and by mass and energy balance. It was observed, even with the slug flow, that for low powers the nucleated boiling regime predominated throughout the evaporator (the average experimental coefficient varied from 1,188 W/m2K to 3,582 W/m2K). On the other hand, for the higher powers (130, 140 and 150 W) the nucleated boiling regime was observed at the lower end of the evaporator (ranged from 2,108 W/m2K to 4,417 W/m2K) and at the upper end the liquid film boiling regime (ranged from 8,566 W/m2K to 18,357 W/m2K). The comparison between experimental and theoretical results showed that the existing correlations do not include these two regions (nucleated and liquid film boiling) observed in this work for the same power. The results obtained directly or indirectly through the wire-mesh sensors are extremely important in determining the parameters related to the flow of bubbles, such as: frequency, translational velocity, void fraction and length of the liquid column (slug). It was observed that the velocity of the bubble was inversely proportional to the applied power and that the volume of liquid (slug) displaced by the rise of the elongated bubble was proportional to the power. Termossifões são dispositivos utilizados para trocar calor e são mais eficientes do que os trocadores de calor convencionais. Para o correto dimensionamento dos termossifões são necessárias correlações específicas para o processo de ebulição que ocorre no evaporador. Existem vários estudos relacionados à obtenção de correlações para a estimativa do coeficiente de transferência de calor por ebulição, entretanto há uma divergência acentuada entre elas; especialmente com relação aos regimes de ebulição: nucleada e filme líquido. Estes regimes de ebulição estão relacionados ao fluxo de calor aplicado ao evaporador e a razão de preenchimento (em relação ao volume do evaporador). Logo, neste trabalho são estudados os regimes de ebulição no evaporador de um termossifão de vidro, tendo água como fluido de trabalho, para uma razão de preenchimento de 100%, variando a taxa de transferência de calor aplicada ao evaporador de 110 até 150 W. Para este estudo, uma bancada experimental foi projetada e construída no NUEM/UTFPR para testar o termossifão, que foi instrumentado com sensores de temperatura, transdutores de pressão e dois sensores de malha resistiva (sensor Wire-mesh). Os dados experimentais obtidos foram utilizados para estimar o coeficiente de transferência de calor por ebulição tanto por correlações existentes na literatura, quanto por balanço de massa e energia. Foi observado, mesmo ocorrendo o escoamento em golfadas, que para baixas potências o regime de ebulição nucleada predominava em todo o evaporador (o coeficiente médio experimental variou de 1.188 W/m2K até 3.582 W/m2K). Por outro lado, para as potências maiores (130, 140 e 150 W) foi observado o regime de ebulição nucleada na extremidade inferior do evaporador (variou de 2.108 W/m2K até 4.417 W/m2K) e na extremidade superior o regime de ebulição em filme líquido (variou de 8.566 W/m2K até 18.357 W/m2K). A comparação entre os resultados experimentais e teóricos mostrou que as correlações existentes não contemplam essas duas regiões (ebulição nucleada e em película) observadas nesse trabalho para a mesma potência. Os resultados obtidos direta ou indiretamente através dos sensores wire-mesh são de suma importância na determinação dos parâmetros relacionados ao escoamento das bolhas, tais como: frequência, velocidade translacional, fração de vazio e comprimento da coluna de líquido (slug). Observou-se que a velocidade da bolha foi inversamente proporcional à potência aplicada e que o volume de líquido (pistão de líquido) deslocado pela ascensão da bolha alongada foi proporcional à potência. 2020-05-12T19:49:11Z 2020-05-12T19:49:11Z 2019-12-17 masterThesis SOUZA, Diógenes Oliveira de. Estudo experimental do fenômeno da ebulição em um termossifão de vidro. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4938 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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description	Thermosiphons are devices used to exchange heat and are more efficient than conventional heat exchangers. For the correct dimensioning of the thermosiphons, specific correlations are required for the boiling process that occurs in the evaporator. There are several studies related to obtaining correlations to estimate the boiling heat transfer coefficient, however there is a marked divergence between them; especially with regard to the boiling regimes: nucleated and liquid film. These boiling regimes are related to the heat flow applied to the evaporator and the filling ratio (in relation to the evaporator volume). Therefore, in this work, the boiling regimes in the evaporator of a glass thermosiphon are studied, with water as the working fluid, for a filling ratio of 100%, varying the heat transfer rate applied to the evaporator from 110 to 150 W. For this study, an experimental set up was designed and built at NUEM / UTFPR to test the thermosiphon, which was instrumented with temperature sensors, pressure transducers and two resistive mesh sensors (Wire-mesh sensor). The experimental data obtained were used to estimate the boiling heat transfer coefficient both by correlations in the literature and by mass and energy balance. It was observed, even with the slug flow, that for low powers the nucleated boiling regime predominated throughout the evaporator (the average experimental coefficient varied from 1,188 W/m2K to 3,582 W/m2K). On the other hand, for the higher powers (130, 140 and 150 W) the nucleated boiling regime was observed at the lower end of the evaporator (ranged from 2,108 W/m2K to 4,417 W/m2K) and at the upper end the liquid film boiling regime (ranged from 8,566 W/m2K to 18,357 W/m2K). The comparison between experimental and theoretical results showed that the existing correlations do not include these two regions (nucleated and liquid film boiling) observed in this work for the same power. The results obtained directly or indirectly through the wire-mesh sensors are extremely important in determining the parameters related to the flow of bubbles, such as: frequency, translational velocity, void fraction and length of the liquid column (slug). It was observed that the velocity of the bubble was inversely proportional to the applied power and that the volume of liquid (slug) displaced by the rise of the elongated bubble was proportional to the power.
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Estudo experimental do fenômeno da ebulição em um termossifão de vidro

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