Estudo experimental da limitação de escoamento em contracorrente na condensação de R-134a em tubos verticais e inclinados de pequeno diâmetro

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014Compressores que não utilizam óleo lubrificante possibilitam diferentes arranjos dos componentes em sistemas de refrigeração. Uma vez que o retorno do óleo ao cárter do compressor deixa de ser um requisito de projeto, há mais liberdade para se posicionar os trocadores de calor relativamente ao compressor. Contudo, nem todas as configurações de sistema são possíveis, já que o retorno de refrigerante líquido(condensado) do condensador para o compressor ainda deve ser evitado.As transições que delimitam as condições na qual o escoamento bifásico ocorre em paralelo ou contracorrente são estudadas dentro do tópico denominado limitação de escoamento em contracorrente. Este fenômeno é estudado desde 1960, visando prever o ponto no qual se inicia o arrasto de líquido, ponto referenciado em inglês como onset of flooding. Grande parte dos estudos foram realizados para par de fluidos ar-água sem presença de condensação, apenas em estudos mais atuais se começou a estudar fluidos refrigerantes com condensação. Apesar de todo trabalho experimental envolvendo este fenômeno, os mecanismos que levam ao início de arrasto não são totalmente conhecidos hoje em dia, de modo que testes experimentais ainda são a principal fonte para previsão de sua ocorrência. Assim é difícil extrapolar linhas de transição para fluidos ou condições de operação diferentes. Para evitar o retorno de condensado deve-se garantir que a condição de operação na descarga do compressor esteja acima da transição de reversão de escoamento, dada quando um filme ascendente para e inicia o escoamento em contracorrente. Historicamente as motivações de estudo da limitação de escoamento em contracorrente estiveram ligados ao início de arrasto de filme, sendo esta a transição mais estudada que a reversão de escoamento. A relevância do presente trabalho está em estudar a transição de reversão de escoamento para R-134a em condensação para tubo de diâmetro 5mm e inclinações 90°, 60° e 30°. Uma bancada experimental foi projetada e montada para permitir a medição e visualização em alta velocidade do ponto de reversão de escoamento. O super aquecimento, pressão de condensação e vazão mássica na entrada da seção de testes eram controlados e a variação da taxa de condensação possibilitava obter diferentes condições de operação na saída da seção de testes, local onde a visualização foi realizada. Os dados de medição e as imagens foram obtidas simultaneamente para cada teste. Foram testadas 17 condições, totalizando 264 pontos experimentais. Os resultados experimentais foram analisados e comparados com as correlações propostas na literatura. Foram propostos coeficientes empíricos para prever os pontos de filme estacionário e reversão de escoamento, também foram analisadas e sugeridas modificações em abordagens para prever a influência de propriedades dos fluidos nas transições.<br>Abstract: Oil-free compressors enable different architectures in refrigeration system design, however some heat exchanger arrangements enable occurrence of condensate flow reversal to the compressor. Liquid presence in the compressor should be avoided, since it is one of the main factors in mechanical failure. The condensate back-flow occurs in counter-current to the compressor discharge vapor, the transitions between co-current and counter-current flow are studied in the counter-current flow limitation (CCFL) topic. This phenomenon is studied since 1960, aiming to predict the condition in which the liquid film starts to be dragged partially by the gas, point which is known as onset of flooding. Most of the works on this topic deal with adiabatic studies with separated airwater injection, only recently experimental work have been developed with refrigerant fluids and condensation. Despite all experimental work the flooding phenomena is still not fully understood today, and testing and empirical correlations are the primary means to predict its occurrence.Thus it is difficult to extrapolate transition curves to different fluid and operation conditions. In order to assure that no condensate will flow back to the compressor, the discharge operation condition should be above the flow reversal transition line. Due to technical motivation in nuclear power plants and reflux condensation columns, the emphasis in studying CCFL was in the flooding point, therefore the reflux condensation point was less studied. This work aim is to investigate experimentally the onset of flow reversal in upflow condensation of R134a refrigerant in vertical and inclined small diameter tubes. A experimental test facility was designed and constructed to allow measurements and high-speed visualization of flow reversal condition. The vapour superheat, condensation pressure and mass flow were controlled at the test section inlet and due condensation rate variation in the test section different operation conditions were obtained at the outlet, location where the visualization is realized. 264 experimental point in 17 operation conditions were obtained, where measurements and visualization were realized simultaneously for all experiments. Experimental results were analysed and compared to correlations to predict CCFL transitions, also different dimensionless group approach to comprise fluid properties were tested. New empirical constants were suggested to Wallis correlation and the Re group was added in the approach of fluid properties influence