Caracterização do fenômeno de Geyser Boiling em termossifões bifásicos operando com dois fluidos simultaneamente

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo experimental do fenômeno Geyser Boiling em termossifões bifásicos operando com dois fluidos de trabalho simultaneamente, sendo eles: a água destilada e o óleo térmico comercial. O Geyser Boiling é um fenômeno que ocorre de maneira cíclica durante o regime de operação do termossifão. Ele é caracterizado por estágios de formação de bolhas bem definidos, em que o fluido de trabalho se encontra em repouso e o acréscimo de calor propicia o crescimento de bolhas que expandem até atingir um tamanho máximo e que, em seguida, explode, pulverizando vapor saturado e líquido sobre as paredes do condensador do termossifão. A amplitude e a frequência em que ocorre esse fenômeno estão relacionadas com as condições em que o dispositivo é submetido, de modo que podem ser intensificadas ou reduzidas. Nesse trabalho, foram conduzidos dois estudos experimentais independentes para investigar o comportamento do Geyser Boiling. O primeiro estudo experimental, realizado em um termossifão bifásico de aço inoxidável, teve o objetivo de estudar o desempenho térmico do dispositivo operando em Geyser Boiling, bem como a influência na amplitude e na frequência do fenômeno de Geyser Boiling a partir da modificação das seguintes condições: razão de volume entre os dois fluidos de trabalho, taxa de transferência calor fornecida no evaporador e condições de resfriamento no condensador. Para o termossifão de aço, foi observado que, durante o regime de Geyser Boiling, o desempenho do dispositivo varia entre um estado de baixo desempenho e um de alto desempenho. Foi observado que o número de Reynolds está associado ao fenômeno e, quando o seu valor é baixo, o dispositivo opera em Geyser Boiling. Também existe uma região de transição para o fenômeno. A partir desse experimento, foi proposto um modelo teórico para a amplitude e frequência de formação de Geyser Boiling. A equação da amplitude está associada ao chamado ?número de liberação de bolha?, que corresponde ao fluxo de calor mínimo necessário para a geração de bolhas com potencial de Geyser Boiling. Os resultados experimentais mostraram que, quando este parâmetro é maior que um certo valor, o termossifão opera em regime de Geyser Boiling. A equação obtida para a frequência é controlada pelo efeito térmico e está associada ao número de liberação de bolha. A equação para amplitude apresentou um erro percentual menor do que 25% e a equação da frequência um erro inferior a 40% em relação aos dados experimentais. Um segundo estudo, teve como objetivo principal analisar de forma visual e qualitativa a formação da amplitude da bolha. Para isso, foi utilizado um termossifão bifásico de vidro, onde foram impostas diferentes taxas de transferência de calor no evaporador, com diferentes razões de enchimento dos dois fluidos, com o condensador em convecção natural com o ambiente. Nesse experimento, foi observado que a intensidade em que ocorre o GB está associada ao local de surgimento da bolha.

Abstract: The present work presents an experimental study of the Geyser Boiling phenomenon in two-phase thermosyphons operating with two working fluids simultaneously, namely: distilled water and commercial thermal oil. The Geyser Boiling is a phenomenon that occurs periodically during thermosyphon operation. It is characterized by well-defined stages of bubble formation, where the working fluid is at rest and the addition of heat leads to the growth of bubbles that expand to a maximum size and then explode, spraying saturated steam and liquid on the thermosyphon condenser internal walls. The amplitude and frequency of this phenomenon are related to the conditions to which the device is subjected, so they can be enhanced or reduced, depending. In this work, two experimental studies were carried out to investigate the behavior of Geyser Boiling. The first one, carried out in a two-phase stainless steel thermosyphon, was aimed to study of the thermal performance of the device operating with Geyser Boiling, as well as the influence on the amplitude and frequency of this phenomenon of the parameters volume ratio of the two working fluids, heat transfer rate to the evaporator and the condenser cooling conditions. For the steel thermosyphon, it was observed that, during the Geyser Boiling regime, the performance of the device varies between low and high-performance states. It was observed that the Reynolds number is associated with the phenomenon. The device operates in Geyser Boiling at low Reynolds numbers. A transition region can also be observed. Based on this data, a theoretical model for the amplitude and frequency was proposed. The amplitude model is associated with the called so ?bubble release number?, which corresponds to the minimum heat flux needed to generate bubbles with Geyser Boiling potential. The experimental results showed that, when this parameter is larger than a certain threshold value, the thermosyphon operates in a Geyser Boiling regime. The model obtained for the frequency is controlled by the thermal effect and is associated with the bubble release number. The amplitude model showed an error of less than 25% and the frequency equation, an error of less than 40% when compared to experimental data. The main objective of the second experimental study was to analyze, in a visual and qualitative way, the formation of the bubble. A two-phase glass thermosyphon was employed, where different heat transfer rates were provided to the evaporator, with different filling ratios of the two working fluids and with the condenser in natural convection. In this experiment, it was observed that the intensity of GB is associated with the location where the bubble appears.