Mathematical and experimental study of low-pressure-vaporization phenomena

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Termodinâmica, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraEm muitas áreas industriais, a melhoria/controlo da transferência de calor e de massa das etapas processuais é a solução para o aumento da rapidez e da eficiência dos seus processos. Nesse âmbito, o desenvolvimento de alternativas para a melhoria desses fenómenos revela-se de grande importância e é um desafio, tanto ao nível académico como industrial. Pretendendo ser um contributo neste contexto, o estudo detalhado do processo de vaporização a baixa pressão (VBP) de água livre e em meios porosos constitui a motivação chave da presente tese. Nesse contexto, desenvolve-se, numa primeira fase do trabalho, um modelo matemático da VBP de água livre. O modelo visa uma primeira avaliação da evolução do processo e do efeito de algumas variáveis relevantes (volume da câmara, capacidade do sistema de despressurização e massa de água inicial). O modelo baseia-se em princípios físicos simples, porém permite verificar que a primeira fase do processo tem um peso significativo na duração total, contrariamente ao referido por outros autores. Foi construída uma instalação experimental para o estudo do processo de VBP, criando também a possibilidade de validar e melhorar o modelo matemático. Primeiramente, realiza-se um estudo experimental para a caracterização detalhada do processo de VBP de água livre, incluindo uma análise integrada das influências da temperatura e do volume inicial de água. São identificadas e caracterizadas as duas fases do processo, assim como os respectivos regimes. Verifica-se uma importante influência das condições iniciais na evolução do processo, bem como na massa total vaporizada. Para além do aperfeiçoamento do modelo matemático em termos físicos, é feita uma calibração com base nos resultados experimentais, onde são definidos e calibrados os seguintes parâmetros: tempos para o flash point e de transição de regime; coeficiente de vaporização; pressão de vapor à superfície livre e pressão da camada livre. Obtém-se, assim, um modelo mais realista, usado para a determinação de parâmetros difíceis de obter experimentalmente. O processo de VBP é também estudado em diferentes tipos de meios porosos para avaliar os benefícios do seu uso na melhoria da taxa de vaporização. Experimentalmente, para além dos quatro meios porosos com propriedades diferentes, é também avaliado o efeito de diferentes temperaturas iniciais. Determinam-se as evoluções da massa total vaporizada, a taxa específica de vaporização e a energia removida. Conclui-se que o processo de VBP é fortemente dependente do volume de água inicialmente contida nos meios porosos. Verifica-se ainda um aumento da taxa de vaporização e da capacidade de transferência de calor, o que justifica o uso dos meios porosos numa vasta gama de aplicações práticas. É desenvolvido, calibrado e validado um modelo matemático do processo de VBP em meios porosos. O modelo permite colmatar algumas lacunas de modelos desenvolvidos nesta área por outros autores, e serve de ferramenta para futuros estudos, uma vez que, tal como para o caso de VBP de água livre, permite determinar parâmetros difíceis de obter experimentalmente. A capacidade do processo de VBP, de água livre e em meios porosos, para melhorar a transfesrência de calor através de superfícies revestidas é também investigada. Verifica-se a aptidão do processo para esse efeito e, consequentemente, para acelerar o decréscimzso da temperatura, particularmente quando se usam os meios porosos como revestimento. O presente trabalho salienta a importância do processo em estudo para possíveis aplicações práticas, ao melhorar o desempenho na transferência de calor e de massa, podendo, assim, constituir a base para o desenvolvimento de novos produtos ou equipamentos. O trabalho de investigação realizado no âmbito desta dissertação esteve condicionado por restrições decorrentes de obrigações legais, relacionadas com a protecção de propriedade industrial, a que a autora e a Universidade de Coimbra estiveram sujeitas. Essas restrições limitaram não só a liberdade de investigação e desenvolvimento, mas também, em determinadas situações, a própria justificação de algumas das opções tomadas.In many industrial areas, the improvement and control of the heat and mass transfer of the procedural stages are the solution to increase the speed and the efficiency of processes. In this domain, the development of alternatives to improve those phenomena is very important and is a challenge, both at academic and industrial levels. As a contribution for that, the detailed study of the low-pressure-vaporization (LPV) process in free water and in porous media constitutes the main goal of the present thesis. In this context, a mathematical model of the LPV process of free water is developed, in the first stage of the work. The model aims at a first evaluation of the process evolution and the effect of some relevant variables (chamber volume, depressurization system capacity and initial water mass). The model is based on simple physical principles; however it reveals that the first stage of the process has a significant weight in the total duration, contrarily to reports by other authors. An experimental set-up was built to study the LPV process, enabling also the possibility to validate and improve the mathematical model. First, an experimental study is presented for a detailed characterization of the low-pressure-vaporization process of free water, including an integrated analysis of the influence of temperature and the initial volume of water. The two stages of the process are identified and characterized, as well as the respective regimes. The significant influence of the initial conditions on the process evolution is verified, as well as in the total mass vaporized. In addition to the physical improvement of the mathematical model, a calibration is performed based on experimental results, where the following parameters are defined and calibrated: time to the flash point and time to the regime transition; vaporization coefficient; free surface and free layer vapour pressures. A more realistic model is thus achieved, allowing the determination of parameters that are difficult to obtain experimentally. The LPV process is also experimentally studied in different types of porous media to evaluate the benefits of its use in improving the vaporization rate. Experimentally, in addition to the four porous media with different properties, it is also evaluated the effect of different initial temperatures. The evolutions of the total mass vaporized, the specific rate of vaporization and the energy removed by this phenomenon are determined. It is verified that the LPV process is strongly dependent on the amount of water initially absorbed in the porous media. It is also observed an increase in the vaporization rate and in the capacity of heat transfer, which justifies the use of porous media in a wide range of practical applications. A mathematical model of the LPV process in porous media is also developed, calibrated and validated. The model solves some shortcomings of previous models developed by others authors in this field, and it is a tool for future studies, allowing to determine parameters that are difficult to obtain experimentally. The capacity of the LPV process, both in free water and in porous media, to enhance the heat transfer rate across coated surfaces is investigated. It is verified the process ability for this proposal and consequently for the intensification of the temperature decrease, particularly when porous media are used as coatings. The present work highlights the importance of the LPV process for possible practical applications, improving the performancec in heat and mass transfer, and thus empowering the development of new products or equipments. The research conducted for this dissertation was subjected to constraints arising from legal obligations related to the protection of industrial property, to which the author and the University of Coimbra were subjected. These restrictions limited both the freedom of research and development and, in certain situations, the justification of some of the choices adopted.Fundação para a Ciência e Tecnologia - SFRH/BD/64486/200