[pt] Uma das características das alternativas consideradas para o desenvolvimento de reatores nucleares com características avançadas de segurança consiste na utilização de resfriamento do vaso de contenção com um fluxo de água vindo de seu topo. Este sistema forma um escoamento de um filme líquido evaporando sobre uma superfície metálica aquecida com ar escoando em contra-corrente. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo analítico e numérico da transferência de calor e massa que ocorre na interface entre o filme líquido e a mistura ar-vapor, neste tipo de escoamento e também em escoamentos co-correntes. Devido à ausência de dados experimentais, o modelo é validado através de comparações com resultados analíticos disponíveis na literatura para situações próximas aos casos de interesse. A influência de diversos parâmetros geométricos e operacionais é analisada e são fornecidos resultados para os números de Nusselt e de Sherwood observados na interface do escoamento das fases. / [en] The design of so called Advanced Nuclear reactors includes many features of passive safety, one of them being a water flow system for cooling the containment vessel. This system generates a counter-current flow pattern with a downward liquid film evaporating over the heated vessel surface and na upward stream of air. This work presents an analytical and numerical model for analysis of heat and mass transfer occuring in the interface formed by water film surfece anda ir-vapor mixture in counter-curent and parallel flows. Due to the lack of experimental data, the model is validated throught comparisons with analytical results found in the flow analysed and the results for Nusselt and Sherwood numbers are presented.

[pt] O objetivo deste trabalho é analisar as transferências de momentum, calor e massa num canal bidimensional inclinado, onde escoam um filme líquido descendente e uma corrente turbulenta de ar de sentido oposto, ou de mesmo sentido oposto, ou de mesmo sentido. O filme líquido, suposto laminar, consiste numa solução fraca, ou degenerada, de trietileno glicol em água. A placa inferior do canal é mantida aquecida numa temperatura uniforme, de modo a facilitar a remoção de água do líquido para a fase gasosa. A corrente de ar deve ser turbulenta, para garantir taxas convenientes da massa de água transferida. Considera-se, não obstante, a possibilidade do ar também escoar liminarmente. A placa superior do canal, ou cobertura é adiabática e ambas as placas são impermeáveis à transferência de água. A parte hidrodinamica do problema é resolvida separadamente. Atribui-se maior importância à determinação dos perfis de temperatura e concentração de águas nas duas fases. Pretende-se que a aparelhagem acima descrita opere como um regenerador da substância líquida higroscópica, tendo este sido previamente usado num secador de ar, em aplicação de fim industrial ou agrícola. A tarefa proposta pelo problema é a simulação das condições operativas do trocador de massa. Como resultado desta simulação, tenciona-se predizer os valores dos coeficientes de transferências de calor e massa, variando amplamente as taxas de escoamento, tanto da fase gasosa, quanto da líquida. Na verdade, diversos pesquisadores têm revelado, nos últimos anos, um grande interesse no estudo de regeneradores do tipo aqui analisado. Toda vez que se tem disponibilidade de energia a temperaturas moderadas e baixo custo, como energia solar ou calor de rejeito industrial, parece indicado regenerar desta forma o desumidificante líquido nas instalações de condicionamento de ar por resfriamento evaporativo. Estabelecidas as equações diferenciais parciais do problema e as condições de contorno pertinentes, elas são resolvidas através de algoritmos obtidos por diferenças finitas, dentro do enfoque de volumes de controle. O procedimento numérico é interativo, usando-se o computador digital na obtenção da solução. Verifica-se que os resultados se mantêm dentro da analogia entre transferência de calor e massa, conforme era esperado. A partir dos resultados, podem-se estabelecer algumas correlações para os principais parâmetros do problema. Propõe-se, por fim, uma metodologia para o projeto do equipamento. Para isto, não é necessário fazer uso direto do método numérico, pois existem algumas poucas equações analíticas, simples, que podem ser facilmente manipuladas num microcomputador ou, até mesmo, numa calculadora eletrônica. Estas equações são deduzidas a partir da aplicação da teoria de penetração ao problema. As correlações dos resultados numéricos são, entretanto, essenciais ao bom emprego da teoria penetração. / [en] The combined momentum, heat and mass transfer is analysed in a two domensional inclined channnel for a countercurrent, or co-current turbulent air strem flowing past a liquid falling film. The film flow, supposed to be laminar, consists of a weak, or co-current tubulent air stream flowing past a liquid falling film. The film flow, supposed to be laminar, consists of a weak, or degenerate, solution of triethylene glycol and water. The film flow, supposed to be laminar, consists of a weak, or degenerate, solution of triethylene glycol and water. The lower plate of the channel is maintained at a constant, relatively high from the liquid to the gas phase. The stream of air is usually turbulent, thus assuring convenient rates of tranferred mass of water. Nevertheless, the possibility of laminar flow in the gas is not avoided. The second plate of the channel is considered as adiabatic and both plates are impervious to water. The hydrodynamic part of the problem is solved separately, and the determination of temperature and concentration of water profiles in the two phases is of major importance. The apparatus above described is intended to be a regenerator of the hygroscopic liquid, previously used in an air dryer, for industrial or agricultural purposes. The tash suggested by the problem is then to simulate the conditions, under which this mass exchanger will operate. Following the simulation, heat and mass transfer coefficientes can be predicted for a large range of flow rates of both gas an liquid phases. In fact, in recent years several investigators have manifested an increasing interest in developing studies of such equipment. In situations where a source of energy at low temperature is freely available, and this is the case of solar energy or industrial rejects, the employment of liquid dehumidifier regenerators is particularly attractive for evaporative cooling air conditioning systems. The partial differential equations of the problem, accompanied by suitable boundary conditions, are solved by a finite difference scheme, based on the volume of control approach. There are iterative procedures involved and solutions is reached in a mainframe computer. The results seem to be in accordance with the expected analoggy between heat and mass transfer. Some correlations are presented for the principal parameters of the problem. Lastly, a methodology is proposed for the design of the equipment. In spite of the complexity of the problem, it is possible to provide the user with a few simple analytic equations, which can be solved in any micro-computer or even in a pocket calculation. Theses equations arise from the employment of the penetration theorym briefly discussed and compared with numerical results. Indubitably, the use of this theory must be in compliance with the previously obtained numerical correlations.

[pt] Uma técnica óptica não intrusiva foi desenvolvida para fornecer imagens instantâneas do filme líquido em escoamento anular horizontal ar-água. Imagens instantâneas das seções longitudinais e tranversais do escoamento revelaram o comportamento dinâmico do filme de líquido ao redor do tubo. A técnica PLIF – Planar Laser Induced Fluorescence – foi utilizada para separar a luz emitida pelo filme daquela (mais intensa) refletida na interface ar-água. A seção de testes utilizada foi fabricada em material com índice de refração próximo ao da água, o que permitiu que regiões muito próximas às paredes fossem estudadas sem distorções ópticas apreciáveis. Imagens longitudinais do filme de líquido foram capturadas utilizando uma câmera de alta velocidade sincronizada com um laser de alta taxa de repetição de pulsos. Foram realizados testes com frequências de aquisição de 250 e 3000 Hz. Um algoritmo computacional foi especialmente desenvolvido para medir automaticamente a posição da interface ar-água em cada imagem. A espessura de filme líquido foi medida em duas posições axiais em cada imagem, gerando dados para a variação temporal da espessura do filme de líquido em duas posições diferentes. As velocidades de propagação das ondas de líquido foram calculadas através da correlação cruzada dos sinais de espessura de filme em função do tempo das duas posições axiais. O espectro de frequência das ondas foi obtido a partir do sinal transiente de espessura do filme de líquido capturado. Os resultados obtidos permitiram estudar a dependência das propriedades do filme líquido com os parâmetros globais do escoamento, tais como as velocidades superficiais de gás e líquido. O trabalho realizado também implementou uma técnica de visualização transversal, empregando para isso duas câmeras digitais de alta velocidade em uma montagem estereoscópica. O laser de alta repetição foi montado de modo que seu feixe iluminasse a seção tranversal do tubo. Imagens obidas com as duas câmeras foram distorcidas usando um alvo de calibração e um polinômio para correção das imagens. Estas imagens distorcidas foram unidas para reconstruir a forma completa do filme de líquido na seção tranversal do tubo em função do tempo. Os resultados obtidos com a técnica estereoscópica desenvolvida constituem-se em uma contribuição original na área de medição de escoamentos bifásicos. Comparações com os resultados disponíveis na literatura indicam que o presente trabalho fornece resultados com níveis de incerteza experimentais equivalentes a outras técnicas bem estabelecidas. Os resultados obtidos com as técnicas desenvolvidas forneceram informações úteis para auxiliar o entendimento do comportamento dinâmico do filme de líquido em escoamentos bifásicos anulares. / [en] A non-intrusive optical technique was employed to provide time-resolved images of the lower portion of the liquid film of horizontal annular flow of air and water, revealing the interfacial wave behavior. Time-resolved images of the pipe cross section revealed the dynamics of the complete liquid film around the pipe wall. The planar laser induced fluorescence technique (PLIF) was implemented to allow for the optical separation of the light emitted by the film from that (more intense) scattered by the air-water interface. The visualization test section was fabricated from a tube material which has nearly the same refractive index as water, what allowed for the visualization of the liquid film at regions very close to the pipe wall. Longitudinal images of the liquid film were captured using a high speed digital video camera synchronized with a high repetition rate laser. Data sets were collected with sampling camera frequencies ranging from 250 to 3000 Hz. A specially developed image processing algorithm was employed to automatically detect the position of the air-water interface in each image frame. The thickness of the liquid film was measured at two axial stations in each processed image frame, providing time history records of the film thickness at two different positions. Wave velocities were measured by cross-correlating the amplitude signals from the two axial positions. Wave frequency information was obtained by analyzing the time-dependent signals of film thickness recorded. The results obtained allowed for the verification of the variation of the liquid film characteristics with global flow parameters, such as the liquid and gas flow superficial velocities. For the film cross section observations, two high speed digital video cameras were used in a stereoscopic arrangement. The high repetition rate laser had its laser sheet mounted so as to illuminate a pipe cross section. Images from the left and right cameras were distorted by the use of a calibration target and an image correction algorithm. Distorted images from each camera were then joined to yield the complete instantaneous cross section image of the liquid film. Comparisons with results from different techniques available in literature indicate that the present technique presents equivalent accuracy in measuring the liquid film properties. The stereoscopic technique developed is an original contribution of the present work to the set of experimental techniques available for the study of two-phase flows. Time–resolved images of longitudinal and cross section views of the film were recorded and analyzed, what constitutes in valuable information for the understanding of the dynamics of the liquid film in horizontal annular flow.