Controle das oscilações de geyser boiling em um termossifão em circuito

Abstract

O presente trabalho realiza um estudo da influência do número de Jakob sobre o regime de geyser boiling (GB) em termossifões bifásicos em circuito, através do sub-resfriamento do fluido de trabalho. Dessa forma foi desenvolvida uma bancada experimental consistindo em um termossifão bifásico em circuito, carregado com água destilada, composto por um evaporador, um condensador e um resfriador para a linha de líquido. Foram realizados ensaios experimentais variando-se a potência térmica imposta no evaporador e o nível de sub-resfriamento da linha de líquido. Dentre os principais resultados observados destaca-se que o fenômeno de GB teve aumento de amplitude e redução de frequência, conforme o aumento da taxa de transferência de calor e aumento do nível de sub-resfriamento. Foi possível constatar que o número de Jakob está diretamente relacionado à amplitude das oscilações térmicas decorrentes do GB e ao valor de resistência térmica geral do dispositivo: quanto maior o número de Jakob, maiores as oscilações de temperatura observadas e maior a resistência térmica, deteriorando o desempenho do dispositivo. Demais números adimensionais avaliados, como os números de Reynolds, Prandtl e Bond não resultaram em um nível de correlação com a amplitude térmica tão alto quanto o número de Jakob. Além disso, constatou-se que a utilização de um pré-aquecimento da linha de líquido de termossifões em circuito, anterior ao evaporador, é capaz de mitigar a ocorrência de GB para dadas potências, garantindo o estado de saturação do fluido de trabalho. Ainda, foi proposto um novo indicador de ocorrência de GB, chamado Número de Geyser Boiling (NGB), que relaciona a resistência térmica instantânea do termossifão com a resistência térmica média ao longo do experimento. Foi observado que quando o valor de NGB se torna inferior a 0,75 é um indicativo de liberação de bolhas características do fenômeno de GB. Também foi observada uma relação linear entre a frequência de liberação de bolhas e o valor médio de NGB para ocorrências inferiores a 0,75. Por fim, foi proposta uma metodologia de planejamento de ensaios experimentais para realização de testes de ciclagem térmica com amplitude das oscilações controladas por meio do número de Jakob, como forma de se controlar as características do fenômeno de GB.

Abstract: This work presents an analysis of the Jakob number influence on the geyser boiling (GB) regime applied to two-phase loop thermosyphons, by subcooling the working fluid. A workbench for experimental tests was developed, consisting of a two-phase loop thermosyphon, with water as the working fluid. It was constituted by an evaporator, a condenser, and a cooler of the adiabatic liquid line. The experiments were carried out by varying the thermal power in the evaporator and the subcooling level of the liquid line. Among the major results observed, the GB phenomenon showed an increase in amplitude and a decrease in frequency, as the evaporator heat transfer and subcooling levels increased. It was possible to verify that the Jakob number was directly linked to the variations of the GB amplitudes, and to the overall thermosyphon thermal resistances, so that, the higher the Jakob number, the higher the temperature oscillations and the higher the thermal resistances, leading to a reduction in the performance. The correlations with the temperature amplitudes, resulted using different non-dimensional numbers, such as Reynolds, Prandtl and Bond, were not as good as that resulted from the Jakob number. Furthermore, it was verified that preheating the liquid line before the evaporator, can mitigate the GB effect at certain heat transfer levels, ensuring the saturated state of the work fluid. Still, a new GB occurrence indicator is proposed, called Geyser Boiling Number (NGB), which relates the instantaneous to the average thermal resistances. It was noted that a characteristic GB bubble release was observed when the NGB reach values below 0.75. A linear correlation between bubble release frequency and the average NGB values, under 0.75, was also verified. Finally, a new methodology, based on the Jakob number, was proposed for thermal cycling experiments with controlled amplitude, by controlling the GB phenomenon.