Análise experimental do desempenho de termossifões bifásicos de grande porte operando com baixos fluxos de calor

Abstract

Em refinarias de petróleo, as torres de resfriamento são os equipamentos que apresentam maior consumo de água, sendo que cerca de 2 a 3% da água que é arrefecida nestes equipamentos é perdida para o ambiente por evaporação. Em um cenário de escassez de recursos hídricos, o desenvolvimento de tecnologias capazes de condensar e captar parte da água na forma de vapor que seria perdida para o ambiente tornou-se uma importante alternativa para a redução e uso racional deste recurso. Nesse contexto, o LABTUCAL/EMC/UFSC e a PETROBRAS iniciaram em 2006 o projeto HIDRITER, o qual tem como objetivo o desenvolvimento de tecnologias passivas para recuperação de água evaporada em torres de resfriamento através da aplicação de termossifões bifásicos. Ao longo dos anos, diversos estudos foram desenvolvidos nestes dispositivos em escala reduzida. Porém, como as torres de resfriamento podem atingir dimensões da ordem de dezenas de metros, os termossifões reais também deverão ter dimensões elevadas. No entanto, os fluxos de calor associados são relativamente baixos, com baixos valores de coeficientes de convecção nos escoamentos do ar dentro e fora da torre, o que pode provocar dificuldades no início da operação dos dispositivos. Diante disso, o objetivo deste trabalho consiste em construir e analisar experimentalmente o desempenho térmico de dois protótipos de termossifões bifásicos de grande porte submetidos a baixos fluxos de calor, voltados para aplicação em torres de resfriamento para recuperação de água evaporada. Portanto, dois dispositivos são estudados, um termossifão bifásico convencional e um termossifão bifásico em circuito, e possuem cerca de 5 metros de comprimento. Para avaliar o funcionamento dos termossifões em diferentes configurações e condições, os testes foram realizados para diferentes razões de enchimento e diferentes inclinações dos dispositivos. O desempenho térmico dos termossifões é avaliado experimentalmente através da análise dos perfis de distribuição de temperatura e das resistências térmicas nas configurações testadas, sendo também realizada a comparação dos resultados obtidos experimentalmente com modelos teóricos de resistência térmica, baseados em correlações disponíveis na literatura. Os resultados obtidos mostraram que a configuração de melhor desempenho para condições de baixo fluxo de calor é caracterizada pelo termossifão bifásico convencional com razão de enchimento de 20%, posicionado verticalmente ou inclinado em 50° com a horizontal. Também foi observado que o termossifão bifásico em circuito não opera adequadamente sob as condições estudadas, não se mostrando adequado para a aplicação em estudo. Por fim, observou-se que as correlações utilizadas para a convecção, disponíveis na literatura, apresentaram grandes diferenças entre si e uma má concordância com os resultados experimentais obtidos neste trabalho, não sendo adequadas para os dispositivos testados. Os valores medidos de resistência térmica variam entre 0,01 e 0,04 °C/W, dependendo das condições de teste, geralmente decrescendo com a elevação da temperatura média do dispositivo. Os valores da resistência térmica e da distribuição de temperaturas obtidos com os protótipos testados podem ser usados no projeto de dispositivos reais aplicados para recuperação de água evaporada em torres de resfriamento.

Abstract: In oil refineries, cooling towers show the highest water consumption, and approximately 2 to 3% of the water cooled by this equipment is lost to the environment through evaporation. In a scenario of scarcity of water resources, the development of technologies capable of condensing and recovering part of the water lost as steam to the environment has become an important alternative for the reduction and rational use of this resource. In this context, LABTUCAL/EMC/UFSC and PETROBRAS started in 2006 the HIDRITER project, which has the objective of developing passive technologies for the recovery of evaporated water in cooling towers through the application of two-phase thermosyphons. Over the years, studies were carried out on reduced-scale devices, Over the years, several studies have been carried out on these devices on a reduced scale, but since cooling towers can reach dimensions on the order of tens of meters, actual thermosyphons should also have large dimensions. However, the associated heat fluxes are relatively low due to the small temperature differences between the thermosyphon and the inside and outside tower steams, so that small convection coefficients are observed, which can lead to difficulties in the start-up. The objective of this work is to build and experimentally analyze the thermal performance of two large two-phase thermosyphon prototypes subjected to low heat fluxes, for application in cooling towers, aiming the recovery of part of the evaporated water. Therefore, two devices are studied, a closed two-phase thermosyphon and a loop two-phase thermosyphon, are approximately 5 meters long. In order to evaluate the operation of the thermosyphons in different configurations and conditions, tests were carried out with the devices charged with different filling ratio and subjected to several inclinations. The thermal performance of the thermosyphons are evaluated experimentally through the analysis of the temperature profiles and of the thermal resistances of the tested configurations. Experimental results are also compared with theoretical models, using literature convection correlations. The results obtained showed that the best performing configuration, for low heat flux conditions, is the closed two-phase thermosyphon with a filling ratio of 20%, either positioned vertically or inclined at 50° to the horizontal. It was also observed that the loop two-phase thermosyphon does not operate properly under the conditions studied and is not suitable for the application under study. Finally, it was concluded that the correlations available in the literature presented large differences among themselves and a poor agreement with the experimental results obtained in this work, being not representative of the devices tested. The measured thermal resistance values vary between 0.01 and 0.04 °C/W, depending on the test conditions, and generally decrease as the average temperature of the device increases. The thermal resistance and temperature distribution values obtained with the prototypes tested can be applied for the design of real devices, for evaporated water recovery, in cooling towers.