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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
Jaqueline Diniz da Silva
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2017
Orientador
Banca examinadora
Ribatski, Gherhardt (Presidente)
Castro, Marcelo Souza de
Gómez, Luben Cabezas
Machado, Luiz
Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar
Título em português
Estudo teórico e experimental da transferência de calor durante a condensação e perda de pressão no interior de minicanais para os refrigerantes R1234ze(E) e R32 com reduzido GWP
Palavras-chave em português
Coeficiente de transferência de calor
Condensação
Minicanais
Perda de pressão
Refrigerante com potencial de aquecimento global reduzido
Trocadore
Resumo em português
Recentemente, observa-se o crescimento do número de trocadores de calor baseados em microcanais devido a necessidade de transferência de elevadas taxas de calor utilizando dispositivos compactos. Tubos de calor, trocadores de calor compactos para equipamentos eletrônicos e controle térmico de satélites, sistemas de condicionamento de ar para automóveis, escritórios e residências são exemplos de aplicações para condensação em canais de diâmetro reduzido. No entanto, na literatura encontra-se reduzido número de estudos experimentais tratando da condensação no interior de canais com diâmetros inferiores a 3 mm, os quais geralmente envolvem refrigerantes com elevado potencial de aquecimento global (GWP). Neste contexto, o presente estudo apresenta uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, perda de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor durante a condensação no interior de canais convencionais e de micro-escala (minicanais). Levantou-se resultados para o gradiente de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor em aparato experimental localizado na Universidade de Pádua (Università Degli Studi di Padova) para os fluidos refrigerante R1234ze(E) e R32 (GWP de 550 e 6, respectivamente), temperatura de saturação de 40°C, fluxo de calor até 35 kW/m², grau de sub-resfriamento da parede entre 2 e 10 K, velocidade mássicas entre 55 e 275 kg/m²s e título de vapor de 0 a 1. Os dados foram levantados em seção de teste composta por 36 minicanais com diâmetro hidráulico de 1,6 mm e geometria retangular, com o efeito de resfriamento obtido através de água resfriada escoando em contra-corrente ao refrigerante. Os dados experimentais levantados para o gradiente de pressão por atrito e o coeficiente de transferência de calor foram comparados com métodos de previsão da literatura, concluindo que as correlações propostas por Jige, Inoue e Koyama (2016) fornecem as melhores previsões. O comportamento do coeficiente de transferência de calor foi analisado com foco nos mecanismos físicos predominantes durante a condensação. A partir desta análise concluiu-se o predomínio de efeitos de tensão superficial em velocidades mássicas reduzidas e de arrasto em velocidades mássicas elevadas. Este estudo também apresenta uma avaliação comparativa do desempenho dos refrigerantes R1234ze(E) e R32 em relação ao R134a (GWP de 1300) baseada na taxa de transferência de calor por unidade de potência de bombeamento e no potencial de transferência de calor, conforme o critério proposto por Cavallini et al. (2010). Esta análise revelou o desempenho superior para o refrigerante R32 seguido do R134a, com o R1234ze(E) apresentando o pior resultado, independentemente da velocidade mássica.
Título em inglês
Experimental and theoretical studies on heat transfer condensation and two-phase pressure drop inside minichannels for the low GWP refrigerants R1234ze(E) e R32
Palavras-chave em inglês
Condensation
Heat exchangers
Heat transfer coefficients
Minichannel
Pressure drop
Resumo em inglês
Recently, micro-scale channels are increasingly being used to combine high heat transfer rates and high degree of compactness. Condensation inside small diameter channels can be found in several applications such as heat pipes, thermal management of electronic equipments, spacecraft thermal control, automotive and residential air conditioning systems, heat pumps and refrigeration systems. However, despite of its importance, few studies concerning condensation inside minichannels (DH < 3 mm) involving low GWP (Global Warming Potential) refrigerants are found in the literature. In this context, initially, this study presents a critical review on the literature involving transition criteria on two-phase flow patterns for micro- and macro-scale conditions, frictional pressure drop and heat transfer coefficient during condensation inside channels. Experimental results for frictional pressure gradient and heat transfer coefficient obtained in apparatus located at the University of Padua (Università Degli Studi di Padova) are carefully analysed. The database includes results for the refrigerants R1234ze(E) and R32 (GWP of 550 and 6, respectively), saturation temperature of 40°C, heat flux up to 35 kW/m², fluid and wall temperature diference up to 10 K, mass velocity in the range of 55 to 275 kg/m²s and vapor quality between 0 and 1. The test section is composed of 36 rectangular minichannels with hydraulic diameter of 1.6 mm. The refrigerant is cooled by water flowing. From a comparison of experimental data for frictional pressure drop and heat transfer coefficient, and prediction methods available in literature, the methods proposed by Jige, Inoue e Koyama (2016) were ranked as the best ones. During the data analyses, focus was put on in order to relate the heat transfer coefficient behavior with the prevailing mecanisms during condensation. Based on this carefull analysis, the predominance of surface tension effects was pointed out under conditions of low mass velocities and condensation inside rectangular minichannels. On the other hand, for high mass velocities shear stress effects prevailed. Also, it has been presented a comparative evaluation of the performance of the refrigerants R1234ze(E), R32 and R134a (GWP of 1300) based on the following criteria: (i) heat transfer rate per unit of power pumping; and (ii) a penalty factor based on the heat transfer potential proposed by Cavallini et al. (2010). According to this evaluation, independently of the mass velocity, the refrigerant R32 was ranked as the one presenting the best performance, followed by R134a ranked as the second best. The refrigerant R1234ze(E) provided the worst performance among them all.
 
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Data de Publicação
2017-11-10
 
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