Análise da formação de bolhas num filme líquido sobre placa plana

Abstract

O processo de destilação é fundamental em diversos campos de aplicação da indústria moderna. Nestes processos, observa-se que a separação dos componentes de um determinado material exige um grande consumo de energia e um grande espaço físico. Devido à crescente demanda de operações voltadas à destilação de substâncias, se torna necessário o desenvolvimento e aprimoramento dos processos já existentes na área industrial. Neste contexto, há a necessidade de se conhecer melhor o processo de destilação por filme (falling film) para que se possa propor melhorias. Desta maneira, o presente trabalho tem por objetivo estudar e capturar imagens da formação de bolhas de vapor em um filme líquido fino escoando sobre uma superfície plana e lisa, utilizando-se uma câmera de alta velocidade, visando uma melhor compreensão deste fenômeno físico. Para isto, foi projetada e construída uma bancada experimental para a realização e análise de testes experimentais, onde foram observadas a formação de bolhas, utilizando água como fluido de trabalho, sobre uma placa plana lisa, com a variação de alguns parâmetros de entrada do escoamento como vazão, temperatura e a inclinação da superfície. Foi empregada uma câmera de alta velocidade e leituras de termopares conectados a um sistema de aquisição de dados, que incluía a utilização de softwares capazes de coletar, armazenar e interpretar os mesmos para futura análise. Através dos resultados obtidos, concluiu-se que os parâmetros de entrada afetam o comportamento do filme de líquido, sendo a vazão o parâmetro de maior influência. Observou-se a importância da espessura crítica na estabilidade do filme, sendo que, para espessuras muito pequenas, o filme se torna instável, inviabilizando os testes. Também se observou que a ebulição não provoca um aumento sensível do coeficiente de transferência de calor entre a superfície e o filme de líquido, devido ao baixo fluxo de calor fornecido e por se tratar de um escoamento monofásico.

Abstract: Distillation is an important process in many fields in the modern industry. In actual processes, the separation of components of a given solution request huge use of energy and space. Therefore, to fulfill the growing demand for operations in distillation, enhancements of existing processes are necessary. Among them, there is the falling film distillation, which improvement requires a deep understanding of the liquid-vapor phase change properties and characteristics. The present work aims to study and capture images of the formation of bubbles in a thin liquid film, using pure water, over a flat plate, due to liquid-vapor phase change using a high-speed camera. The main objective is to understand the physical phenomenon that drives this process. This work encompasses the design and assembling of an experimental bench aiming to perform a variety of experimental tests, where some input parameters, such as flow rate, temperature and surface slope were varied. Data were collected using a high-speed camera and thermocouples. The data were collected by a data acquisition system and were pre-treated by a software capable of collecting, storing and interpreting the data for future analyses. From the obtained results, one can conclude that the change in the input parameters affects the behavior of the liquid film, in which the flow rate is the parameter with the greatest influence on the results. The film thickness is paramount for its stability, as too thin films are unstable, jeopardizing the tests. It was also observed that the onset of boiling does not lead to an increase in the heat transfer coefficient between the surface and the liquid film, due to the low heat flux provided and because it is a single-phase flow.