Estudo experimental do arrefecimento com um jato de dióxido de carbono

Abstract

Existem diversas estratégias dinâmicas de arrefecimento onde se pretende beneficiar da mudança de fase para um processo mais eficiente. Embora a maior parte dessas estratégias recorra à mudança de fase por vaporização (líquido – vapor), pouco tem sido explorado em relação à mudança de fase por sublimação (sólido – vapor). Na expansão controlada de dióxido de carbono de elevada pureza através de um bocal ou pequeno orifício, a sua temperatura diminui com a diminuição da pressão devido ao efeito de Joule-Thomson. Esta queda de temperatura provoca a formação de partículas de neve carbónica (gelo seco) resultando num jato bifásico sólido-gás a baixas temperaturas e com uma velocidade considerável. Deste modo, para além do arrefecimento convectivo inerente às baixas temperaturas do jato, é esperado uma contribuição adicional da mudança de fase por sublimação. No âmbito desta dissertação, concebeu-se uma instalação experimental com o objetivo de estudar o arrefecimento provocado por um jato de partículas de dióxido de carbono, tendo como variáveis independentes o tempo de incidência e a distância à superfície a arrefecer. Os ensaios realizados revelaram a influência da distância do jato à placa, no processo de arrefecimento com jato de dióxido de carbono, onde foram obtidos coeficientes médios espácio-temporais significativamente superiores para distâncias mais curtas. Foi também evidenciada a variação do coeficiente de convecção local com a distância ao centro. Os resultados evidenciaram um processo de arrefecimento com eficiências entre aproximadamente 48% e 60%.

There are several dynamic strategies of cooling where there is intention to benefit from the phase change to increase the process efficiency. Most of these strategies make use of the vaporization phase change (liquid - vapor), however few of them explored the sublimation phase change (solid - vapor). In the controlled expansion of pure carbon dioxide through a small orifice or nozzle, its temperature decreases with the pressure drop due to Joule- Thomson effect. This temperature drop causes the formation of carbon dioxide solid particles (dry ice) resulting in a solid-gas two-phase jet at low temperature and with a considerable speed. Thus, in addition to the inherent low temperature cooling jet, an additional effect of the sublimation phase change is expected. As part of this work, an experimental setup aiming to study the cooling caused by a jet of carbon dioxide particles was conceived, having as independent variables the injection time and the distance to the surface to be cooled. The tests showed the influence of the jet-to-plate distance on the cooling process with carbon dioxide blasting, by significantly higher space-time average coefficients which were obtained for shorter distances. It was also demonstrated the variation of the local convection coefficient with distance to the center. The results showed a cooling process efficiency ranging from about 48% to 60%.