Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-11-12T13:35:25Z No. of bitstreams: 1 Melissa Grahl Figueredo_.pdf: 8476500 bytes, checksum: 0e323d417d0ad90bf62e4ef266aa2f7d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-12T13:35:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Melissa Grahl Figueredo_.pdf: 8476500 bytes, checksum: 0e323d417d0ad90bf62e4ef266aa2f7d (MD5) Previous issue date: 2018-07-03 / Programa de Bolsas de Estudo Talentos Tecnosinos / Este trabalho apresenta o estudo para a caracterização do escoamento bifásico ar-água em um minicanal de 2,6 mm de diâmetro interno para os regimes de escoamento pistonado e bolha isolada, por meio do emprego de quatro pares de sensores ópticos: dois deles formados por emissores IR e fotodiodos como receptores, diferenciados pelo comprimento de onda dos emissores e pela área ativa dos receptores, o outro é o sensor de tubo para líquidos, formado por um emissor IR e um fototransistor como receptor e, por fim, o sensor composto por um LED branco como emissor e um LDR como receptor. Os testes foram realizados para vazões de água de 50, 75 e 100 ml/min e volumes de ar de 0,1, 0,06 e 0,02 ml, captando-se simultaneamente os sinais dos sensores e suas respectivas imagens com uma câmera de alta velocidade. Os resultados obtidos foram a fração de vazio, as curvas de calibração para os sensores, a comparação das respostas dos quatro sensores empregados e a medida da velocidade das bolhas. A calibração dos sensores é dada por meio de uma curva que relaciona a fração de vazio e a tensão do sensor. Relacionando-se as imagens e os sinais dos sensores, foi possível identificar os padrões de escoamento pistonado para os volumes de ar de 0,10 e 0,06 ml e o de bolhas isoladas para o volume de 0,02 ml. A partir da análise dos sinais dos sensores observou-se que para volume de ar de 0,02 ml o sensor de tubo para líquidos, diferentemente dos outros sensores, identificou o padrão levemente alongado da bolha. A verificação dos sinais dos sensores foi feita por meio das áreas medidas pelos sensores e aquelas obtidas através das imagens, ficando com EMR entre -9,36% e 4,49%, sendo os piores resultados os encontrados para o volume de ar de 0,02 ml. O resultado para os valores normalizados das áreas medidas pelos sensores mostrou que o sensor LDR possui resposta mais lenta durante as mudanças entre as fases líquida e gasosa, visto que a área medida por ele ficou maior em relação aos outros sensores. Nota-se ainda que o sensor de tubo para líquido foi aquele que obteve os menores tempos durante as mudanças de fases. As curvas de calibração obtidas foram melhor aproximadas por exponenciais de segunda ordem com R2 entre 0,928 e 0,897 (LDR). Por fim, a aplicação dos sensores em pares possibilitou a medida da velocidade das bolhas para as diferentes vazões de água, resultando em EMR entre -4,92 e 2,17%. / This paper presents an air-water two-phase flow characterization in a small diameter tube of 2.6 mm internal diameter for plug and isolated flow, using four pairs of optical sensors: two of them consist in IR emitter whit different wavelength and photodiodes receivers, whit distinct reception active areas, the other one is a tube liquid sensor based in an IR emitter and a phototransistor receiver and the last one is a LDR as receiver and a white LED emitter. The tests were performed for 50, 75 and 100 ml/min for water flow and 0.1, 0.06 and 0.02 ml for air volume, capturing sensors signals and its respective images in a high-speed camera. The results obtained where void fraction, sensors calibrations curves, a comparison between the four sensors response and bubbly velocity. The sensor calibration process relates void fraction and sensor signal. Images and sensor signal showed that is possible to recognize plug pattern for air volumes of 0.10 and 0.06 ml and isolated bubbly pattern for 0.02 ml. Signal sensors comparison allowed to identify that the tube liquid sensor is better in recognizing a bubbly-plug pattern. The sensors verification has compared the areas measured by the sensor and the image, the EMR results are between -9.6% and 4.49%. The worst results are for air volume of 0.02 ml. LDR sensor response is slower than the others sensors are during phase changing, since the area measured by it has been higher than the other sensors. On the other hand, tube liquid sensor showed to be faster sensor in phase changing. Despite sensors differences, four calibrations curves were obtaining and defined by second order exponentials whit R2 between 0.928 and 0.897 (LDR). Finally, the sensors in pairs allowed to measure mean velocity of bubbles for different water flow, resulting in EMR between -4.92 and 2.17%.

Recentemente, observa-se o crescimento do número de trocadores de calor baseados em microcanais devido a necessidade de transferência de elevadas taxas de calor utilizando dispositivos compactos. Tubos de calor, trocadores de calor compactos para equipamentos eletrônicos e controle térmico de satélites, sistemas de condicionamento de ar para automóveis, escritórios e residências são exemplos de aplicações para condensação em canais de diâmetro reduzido. No entanto, na literatura encontra-se reduzido número de estudos experimentais tratando da condensação no interior de canais com diâmetros inferiores a 3 mm, os quais geralmente envolvem refrigerantes com elevado potencial de aquecimento global (GWP). Neste contexto, o presente estudo apresenta uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, perda de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor durante a condensação no interior de canais convencionais e de micro-escala (minicanais). Levantou-se resultados para o gradiente de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor em aparato experimental localizado na Universidade de Pádua (Università Degli Studi di Padova) para os fluidos refrigerante R1234ze(E) e R32 (GWP de 550 e 6, respectivamente), temperatura de saturação de 40°C, fluxo de calor até 35 kW/m², grau de sub-resfriamento da parede entre 2 e 10 K, velocidade mássicas entre 55 e 275 kg/m²s e título de vapor de 0 a 1. Os dados foram levantados em seção de teste composta por 36 minicanais com diâmetro hidráulico de 1,6 mm e geometria retangular, com o efeito de resfriamento obtido através de água resfriada escoando em contra-corrente ao refrigerante. Os dados experimentais levantados para o gradiente de pressão por atrito e o coeficiente de transferência de calor foram comparados com métodos de previsão da literatura, concluindo que as correlações propostas por Jige, Inoue e Koyama (2016) fornecem as melhores previsões. O comportamento do coeficiente de transferência de calor foi analisado com foco nos mecanismos físicos predominantes durante a condensação. A partir desta análise concluiu-se o predomínio de efeitos de tensão superficial em velocidades mássicas reduzidas e de arrasto em velocidades mássicas elevadas. Este estudo também apresenta uma avaliação comparativa do desempenho dos refrigerantes R1234ze(E) e R32 em relação ao R134a (GWP de 1300) baseada na taxa de transferência de calor por unidade de potência de bombeamento e no potencial de transferência de calor, conforme o critério proposto por Cavallini et al. (2010). Esta análise revelou o desempenho superior para o refrigerante R32 seguido do R134a, com o R1234ze(E) apresentando o pior resultado, independentemente da velocidade mássica. / Recently, micro-scale channels are increasingly being used to combine high heat transfer rates and high degree of compactness. Condensation inside small diameter channels can be found in several applications such as heat pipes, thermal management of electronic equipments, spacecraft thermal control, automotive and residential air conditioning systems, heat pumps and refrigeration systems. However, despite of its importance, few studies concerning condensation inside minichannels (DH < 3 mm) involving low GWP (Global Warming Potential) refrigerants are found in the literature. In this context, initially, this study presents a critical review on the literature involving transition criteria on two-phase flow patterns for micro- and macro-scale conditions, frictional pressure drop and heat transfer coefficient during condensation inside channels. Experimental results for frictional pressure gradient and heat transfer coefficient obtained in apparatus located at the University of Padua (Università Degli Studi di Padova) are carefully analysed. The database includes results for the refrigerants R1234ze(E) and R32 (GWP of 550 and 6, respectively), saturation temperature of 40°C, heat flux up to 35 kW/m², fluid and wall temperature diference up to 10 K, mass velocity in the range of 55 to 275 kg/m²s and vapor quality between 0 and 1. The test section is composed of 36 rectangular minichannels with hydraulic diameter of 1.6 mm. The refrigerant is cooled by water flowing. From a comparison of experimental data for frictional pressure drop and heat transfer coefficient, and prediction methods available in literature, the methods proposed by Jige, Inoue e Koyama (2016) were ranked as the best ones. During the data analyses, focus was put on in order to relate the heat transfer coefficient behavior with the prevailing mecanisms during condensation. Based on this carefull analysis, the predominance of surface tension effects was pointed out under conditions of low mass velocities and condensation inside rectangular minichannels. On the other hand, for high mass velocities shear stress effects prevailed. Also, it has been presented a comparative evaluation of the performance of the refrigerants R1234ze(E), R32 and R134a (GWP of 1300) based on the following criteria: (i) heat transfer rate per unit of power pumping; and (ii) a penalty factor based on the heat transfer potential proposed by Cavallini et al. (2010). According to this evaluation, independently of the mass velocity, the refrigerant R32 was ranked as the one presenting the best performance, followed by R134a ranked as the second best. The refrigerant R1234ze(E) provided the worst performance among them all.

Recentemente, observa-se o crescimento do número de trocadores de calor baseados em microcanais devido a necessidade de transferência de elevadas taxas de calor utilizando dispositivos compactos. Tubos de calor, trocadores de calor compactos para equipamentos eletrônicos e controle térmico de satélites, sistemas de condicionamento de ar para automóveis, escritórios e residências são exemplos de aplicações para condensação em canais de diâmetro reduzido. No entanto, na literatura encontra-se reduzido número de estudos experimentais tratando da condensação no interior de canais com diâmetros inferiores a 3 mm, os quais geralmente envolvem refrigerantes com elevado potencial de aquecimento global (GWP). Neste contexto, o presente estudo apresenta uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, perda de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor durante a condensação no interior de canais convencionais e de micro-escala (minicanais). Levantou-se resultados para o gradiente de pressão por atrito e coeficiente de transferência de calor em aparato experimental localizado na Universidade de Pádua (Università Degli Studi di Padova) para os fluidos refrigerante R1234ze(E) e R32 (GWP de 550 e 6, respectivamente), temperatura de saturação de 40°C, fluxo de calor até 35 kW/m², grau de sub-resfriamento da parede entre 2 e 10 K, velocidade mássicas entre 55 e 275 kg/m²s e título de vapor de 0 a 1. Os dados foram levantados em seção de teste composta por 36 minicanais com diâmetro hidráulico de 1,6 mm e geometria retangular, com o efeito de resfriamento obtido através de água resfriada escoando em contra-corrente ao refrigerante. Os dados experimentais levantados para o gradiente de pressão por atrito e o coeficiente de transferência de calor foram comparados com métodos de previsão da literatura, concluindo que as correlações propostas por Jige, Inoue e Koyama (2016) fornecem as melhores previsões. O comportamento do coeficiente de transferência de calor foi analisado com foco nos mecanismos físicos predominantes durante a condensação. A partir desta análise concluiu-se o predomínio de efeitos de tensão superficial em velocidades mássicas reduzidas e de arrasto em velocidades mássicas elevadas. Este estudo também apresenta uma avaliação comparativa do desempenho dos refrigerantes R1234ze(E) e R32 em relação ao R134a (GWP de 1300) baseada na taxa de transferência de calor por unidade de potência de bombeamento e no potencial de transferência de calor, conforme o critério proposto por Cavallini et al. (2010). Esta análise revelou o desempenho superior para o refrigerante R32 seguido do R134a, com o R1234ze(E) apresentando o pior resultado, independentemente da velocidade mássica. / Recently, micro-scale channels are increasingly being used to combine high heat transfer rates and high degree of compactness. Condensation inside small diameter channels can be found in several applications such as heat pipes, thermal management of electronic equipments, spacecraft thermal control, automotive and residential air conditioning systems, heat pumps and refrigeration systems. However, despite of its importance, few studies concerning condensation inside minichannels (DH < 3 mm) involving low GWP (Global Warming Potential) refrigerants are found in the literature. In this context, initially, this study presents a critical review on the literature involving transition criteria on two-phase flow patterns for micro- and macro-scale conditions, frictional pressure drop and heat transfer coefficient during condensation inside channels. Experimental results for frictional pressure gradient and heat transfer coefficient obtained in apparatus located at the University of Padua (Università Degli Studi di Padova) are carefully analysed. The database includes results for the refrigerants R1234ze(E) and R32 (GWP of 550 and 6, respectively), saturation temperature of 40°C, heat flux up to 35 kW/m², fluid and wall temperature diference up to 10 K, mass velocity in the range of 55 to 275 kg/m²s and vapor quality between 0 and 1. The test section is composed of 36 rectangular minichannels with hydraulic diameter of 1.6 mm. The refrigerant is cooled by water flowing. From a comparison of experimental data for frictional pressure drop and heat transfer coefficient, and prediction methods available in literature, the methods proposed by Jige, Inoue e Koyama (2016) were ranked as the best ones. During the data analyses, focus was put on in order to relate the heat transfer coefficient behavior with the prevailing mecanisms during condensation. Based on this carefull analysis, the predominance of surface tension effects was pointed out under conditions of low mass velocities and condensation inside rectangular minichannels. On the other hand, for high mass velocities shear stress effects prevailed. Also, it has been presented a comparative evaluation of the performance of the refrigerants R1234ze(E), R32 and R134a (GWP of 1300) based on the following criteria: (i) heat transfer rate per unit of power pumping; and (ii) a penalty factor based on the heat transfer potential proposed by Cavallini et al. (2010). According to this evaluation, independently of the mass velocity, the refrigerant R32 was ranked as the one presenting the best performance, followed by R134a ranked as the second best. The refrigerant R1234ze(E) provided the worst performance among them all.