Estudo da condensação em convecção natural de superfícies híbridas (superhidrofóbicas e hidrofílicas)

Abstract

A condensação de água representa etapa essencial de processos naturais e industriais. Citam-se como exemplos condensadores para recuperação de calor, sistemas de refrigeração em plantas de energia, sistemas de ar condicionado e indústria petroquímica. São objetivos comuns em pesquisas envolvendo processos de condensação os aumentos das taxas de transferência de calor e de coleta de condensado. Tentativas usuais de aperfeiçoamento são realizadas a partir da utilização de revestimentos que alteram as características de molhabilidade da superfície de trabalho. O presente trabalho teve como principal objetivo avaliar experimentalmente os efeitos da modificação da composição das superfícies híbridas (superhidrofóbicas e hidrofílicas) no processo de condensação em convecção natural. Para isso, foi projetada e construída uma bancada experimental através da qual foi possível controlar a temperatura do ar ambiente e a umidade relativa por meio de um sistema de controle ativo. Dados de temperatura ambiente e de superfície, umidade relativa, fluxo de calor e massa condensada foram adquiridos durante os experimentos. As seções de testes foram revestidas com material superhidrofóbico e caracterizadas por meio da medição do ângulo de contato estático. A geometria híbrida estudada possui as seguintes frações de área de material superhidrofóbico: 0, 30, 50, 70 e 100 %. O formato das seções de testes foram inspirados em veios de folhas de árvores. Entre as seções de testes avaliadas, o melhor desempenho das taxas de coleta de condensado e de transferência de calor por condensação com umidade relativa de 80% ocorreu quando a placa é revestida com 70 % de material superhidrofóbico. Quando a umidade relativa foi modificada de 60 para 80 % e quando temperatura da superfície de trabalho foi reduzida de 17 para 6 ºC, o aumento médio da taxa de condensação foi de 54 e 24 %, respectivamente. Fluxo de líquido ocorre, em geral, da região superhidrofóbica para a hidrofílica onde é preferencialmente drenada. O diâmetro médio de gotas coalescidas anterior à partida é de aproximadamente 2,5 mm para as seções de testes. O processo dinâmico de movimentação de gotas e drenagem sobre a superfície híbrida foi investigado. A presença de duas superfícies com energias livres distintas propiciam mecanismos de drenagem que não ocorrem em superfícies homogêneas.

Abstract : Water condensation is an essential part of several natural and industrialprocecess. Examples can be found in condensers for heat recovery,cooling systems in power plants, air conditioning systems andpetrochemical industry. Common objectives in research involving condensationprocesses are the increase of heat transfer and condensationrates. Usual refinement attempts consist in using coatings that alterthe wettability characteristics of the working surface. The presentwork aims at evaluating with experiments the effects of hybrid surfaces(superhydrophobic and hydrophilic) on the condensation process innatural convection. An experimental bench was designed and built inorder to control the ambient air temperature and the relative humidityby means of an active control system. Environment and surfacetemperatures, relative humidity, heat flux and condensation rates weremeasured during the experiments. The test sections were coated withsuperhydrophobic material and characterized by measuring the staticcontact angle. The hybrid geometry was studied with following surfacefractions of superhydrophobic material: 0, 30, 50, 70 and 100 %.The test section design was inspired in veins of tree leaves. The bestperformance in relative umidity of 80% ocurred when the test sectionwas coated with 70 % superhyperphobic material. When the relativehumidity was changed from 60 to 80 %, and when the working surfacetemperature was reduced from 17 to 6 C, the condensation rate increasedabout 54 and 24 %, respectively. Liquid flows generally occurs fromthe superhydrophobic to the hydrophilic region where it is preferablydrained. The average departing diameter of a droplet consisting of severalcoalesced nuclei is approximately 2.5 mm. The dynamic processof droplet and drain movement on the hybrid surface was investigated.The presence of two surfaces with distinct free energies providedrainage mechanisms that do not occur on homogeneous surfaces.