Estudo do impacto de um spray de alta pressão

Abstract

Uma das consequências do desenvolvimento tecnológico atual na indústria é a geração indesejada de calor decorrente do trabalho produzido pelos sistemas mecânicos, tornando-se necessária a utilização de sistemas de arrefecimento individuais. Um exemplo será o funcionamento de um motor de combustão interna, onde devido ao volume variável e reação de combustão se atingem elevadas pressões e temperaturas, conduzindo ao aumento da geração de calor. Assim, a evolução destes motores está associada à capacidade de dissipar o excesso de energia de forma a manter as temperaturas em valores que permitam otimizar a eficiência do motor. Neste estudo pretende-se avaliar uma estratégia de arrefecimento por spray de água, método descrito na literatura como comprovadamente eficaz na dissipação de elevados fluxos de calor.O estudo experimental desenvolvido neste trabalho consiste na injeção de um spray de água sobre uma superfície aquecida em ambiente pressurizado, com o objetivo de analisar o seu comportamento térmico em várias condições de trabalho, e correlacioná-lo com as estruturas do escoamento bifásico obtidas por meio de visualização de alta-velocidade. De forma a simular o fenómeno no interior de um motor de combustão interna, as condições de ensaio que fizemos variar foram a pressão ambiente e a temperatura da superfície. Foram calculados os fluxos de calor a partir dos valores adquiridos para a temperatura da superfície com termopares de resposta rápida ($\sim 10\mu s$), radialmente espaçados na superfície de estudo. Seguidamente procedemos à observação macroscópica do impacto do spray, de forma a perceber e explicar quaisquer particularidades ou irregularidades registadas na análise dos fluxos de calor. Este tipo de trabalho contribuirá para desenvolver conhecimento sobre o efeito de um ambiente pressurizado do desempenho térmico da estratégia de arrefecimento com sprays, para que no futuro consigamos aplicar e otimiza-lo na indústria.A partir das medidas de temperaturas, adquiridas com uma elevada taxa de aquisição, e recorrendo ao cálculo dos fluxos de calor, verificamos a reprodutibilidade dos resultados obtidos nesta dissertação, em relação a trabalhos anteriores na mesma instalação. Confirmou-se que o valor máximo de fluxo de calor ocorre a uma pressão ambiente de 10~bar, diminuindo para valores de pressão superiores, sendo mínimo à pressão atmosférica. Nas imagens adquiridas observamos e confirmamos o aumento da população de gotas e, consequentemente, diminuição do seu tamanho, com o aumento da pressão. A evaporação imediata no contacto com a superfície ou a formação de um filme de líquido é observada tanto nos fluxos de calor calculados, como na visualização realizada das estruturas macroscópicas do escoamento bifásico, decorrendo da diferença entre a temperatura da superfície e a temperatura de saturação da água à pressão de ensaio. Assim, verificou-se o predomínio dos fenómenos de reflexão e \emph{splash} das gotas incidentes na superfície quando a diferença de temperatura é superior a 80$^\circ$C e a formação de um filme de líquido quando a diferença se verifica predominantemente abaixo de 50$^\circ$C.Com o aumento da pressão ambiente observou-se a formação de uma pluma térmica de vapores de água ascendentes desde a superfície após o contacto do spray. Sugere-se que este aspecto esteja relacionado com a variação da humidade relativa em função da pressão ambiente. Foi, também, observado que a densidade de micro-partículas que segue o escoamento da pluma térmica é mais intensa com o aumento da pressão ambiente, podendo ser um ponto de partida pertinente para estudos futuros.

Significant developments in today’s industry increased the generation of heat due to the mechanical system’s work. For that reason, there’s the need to evolve the cooling systems and strategies equally to keep the correct functioning while increasing the efficiency of the overall mechanisms. The example that served as the objective of the work done in this assignment is the internal combustion engine, where most advances in efficiency result in higher temperatures and consequently higher heat fluxes to dissipate. In order to increase the compression rate while avoiding the occurrence of the knocking phenomenon, the need to develop and optimize new cooling systems is increasing drastically.The experimental study under analysis in this assignment consists in the injection of a water spray onto a hot surface while evaluating the heat flux in several different conditions to simulate the interior of an internal combustion engine’s piston. The experiments performed in a laboratory facility considered temperatures ranging from 145 to 280 ºC, and internal environment pressures from 1 to 30 bar. The heat fluxes were calculated from the temperature acquisition of type K thermocouples radially spaced among the heated surface. Followed by the macroscopical observation of the phenomenon to explain and compare results obtained by the heat fluxes. This kind of work will be used in the future to correlate the two-phase flow macroscopic hydrodynamic impact mechanisms, associated with transient heat fluxes, with known ambient pressure and wall temperature. The high frequency of temperature acquisition allowed us to validate the conditions created when compared to the existing literature. We observed the maximum heat flux value on the test at 10 bar, followed by its decrease with the further rising of ambient pressure. The most crucial factor in determining whether the surface-spray interface would be dry or wet was the overheating degree that translates in the temperature difference between the surface and the saturation of the water in the test’s ambient pressure. For overheating degree values above 80ºC the most typical interaction of the water goblets with the heated surface would be of rebound and splash, but for the tests where the value was under 50ºC, there would be a clear tendency to develop a liquid film above the surface.With the pressure increase, there was an unforeseen tendency for the density’s rising of the water vapor’s cloud formed on impact and slowly spreading in all directions. This phenomenon is linked to the variation of local relative humidity and the easier achievement of saturation levels allowing goblets to condensate. Thermal distortion of the air immediately above the heated surface was also found to be more evident with the pressure rising. Both these subjects would be interesting to analyze in future studies.