Condensação em cavidades considerando convecção natural difusiva e dupla na presença de gases não condensáveis

Abstract

Neste trabalho propõe-se um estudo teórico da convecção natural difusiva e dupla no interior de cavidades, visando aplicações em condensação pelicular sobre paredes verticais, na presença de gases não-condensáveis, em espaços confinados. O modelo desenvolvido se baseia em modelos teóricos da literatura, porém as equações governantes utilizadas contemplam a convecção natural difusiva e dupla, fenômeno observado apenas quando ocorre condensação de vapor na presença de gases não-condensáveis. O modelo desenvolvido também inclui uma componente de calor devido à difusão binária entre vapor e gases não condensáveis, assim como o efeito do gradiente de temperatura no empuxo. Foi empregado um método numérico de volumes finitos, com auxílio das bibliotecas do OpenFOAM®, para a solução das equações. Na análise numérica, a espessura do filme de líquido condensado foi desprezada, e sua influência foi estimada através do modelo de condensação de Nusselt aplicado para paredes verticais. Três diferentes configurações de cavidade, quanto a sua seção reta, foram adotadas no presente estudo: quadrada, onde estudou-se a influência do calor devido à difusão binária; retangular estreita (superfícies de troca de calor muito próximas entre si), onde avaliou-se a importância da espessura do filme liquido sobre a cavidade; cilíndrica, para a comparação com dados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados obtidos para a cavidade quadrada mostram que pode haver um aumento do Número de Nusselt de até 45% quando se considera o transporte de calor devido à difusão binária (normalmente desprezado em modelos da literatura aplicados à termossifões bifásicos). Os resultados obtidos para a cavidade estreita mostram que o filme de líquido pode ocupar até 20% da largura da cavidade, ou seja, a sua presença é relevante e deve ser considerada. Já os resultados para uma cavidade cilíndrica mostraram uma boa comparação entre os perfis de temperatura obtidos pelo modelo com dados experimentais.

Abstract : In this work, a theoretical study is proposed, concerning doublediffusivenatural convection in cavities, aiming its applications in filmcondensation over vertical walls, in confined spaces. The developedmodel is based on literature theoretical models, in which the governingequations used take into account the double-diffusive naturalconvection, phenomenon only observed in vapor condensation in thepresence of non-condensable gases. The developed model also includesa heat transfer component due to the binary diffusion between vapor andnon-condensable gases, as well as the buoyancy effects due totemperature gradients. Numerical solutions are based on finite volumemethod. OpenFOAM® libraries was employed for the solutions of theequations. In the numerical analysis, the film thickness was neglectedand its influence over the field was estimated using the vertical wallvapor condensation Nusselt model. Three different cross section cavitygeometries were studied: squared, where the influence of the binarydiffusion heat transfer was analyzed; straight rectangular (the heattransfer surfaces were very close to each other), where the influence ofthe film thickness was evaluated; cylindrical, to produce theoreticalresults to be compared with literature data. The squared cavity resultsshowed that the Nussel number could increase to up to 45% if the binaryheat transfer is considered (actually neglected in two-phasethermosyphon literature models). The results for the straight cavityshowed that the film could occupy up to 20% of the cavity width, andso, it presence is important and should be considered. The results for thecylindrical cavity showed a good comparison with the literatureexperimental temperature profile.