Arrefecimento de superfícies com jato de partículas de neve carbónica

Abstract

Ao longo dos anos tem surgido vários desenvolvimentos e tentativas de criar tecnologias de arrefecimento baseadas na mudança de fase. A maior parte dos desenvolvimentos nesta área foram feitos com recurso à mudança de fase por vaporização, isto é, à mudança de fase entre líquido e vapor. No entanto, pouco tem sido explorado em relação à mudança de fase entre sólido e vapor, também conhecido por sublimação. A formação de partículas sólidas de dióxido de carbono, também conhecido por gelo seco, é feita com recurso ao efeito Joule-Thompson. Um fenómeno que permite o arrefecimento do dióxido de carbono, através da descida abrupta de pressão ao passar por um pequeno orifício e que consequentemente, devido à mudança de fase, resulta num jato de mistura bifásica sólido-gás a baixas temperaturas. Deste modo, formam-se partículas de gelo seco que, devido à baixa temperatura, irão mudar de fase sólida para vapor e contribuir para o arrefecimento em contacto com a superfície, aliado ao arrefecimento inerente da convecção das baixas temperaturas do jato.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, de modo mais preciso, tendo como variáveis independentes o ângulo de inclinação da placa e o tempo de incidência do jato.Os ensaios realizados revelaram a influência do ângulo de inclinação da placa em relação à horizontal, no processo de arrefecimento com jato de dióxido de carbono, onde se obteve fluxos de calor e coeficientes de convecção médios superiores para ângulos da placa nulos, havendo uma forte variação dos valores locais com a variação da distância ao centro da placa. Os resultados evidenciaram um processo de arrefecimento com eficiências a variar entre 6,39% e 11,59%.

Along the years there have been a significative amount of development and attempts to create cooling technologies based on the phase change. Most of the development in this area were made with the vaporization phase change, in other words, the phase change between liquid and vapor. However, little has been explored in relation to the phase change between solid and vapor, also known as sublimation.The formation of solid particles of carbon dioxide, also known as dry ice, is made using the Joule-Thompson effect. A phenomenon which allows the cooling of carbon dioxide through the abrupt drop of pressure as it passes through a small orifice and which consequently, due to the phase change, results in a solid-gas biphasic mixing jet at low temperatures. Thus, dry ice particles are formed which, due to the low temperatures, will change from solid to vapor phase and contribute to the cooling in contact with a surface, together with the inherent cooling of the convection of the low temperature jet.As part of this work, an experimental setup was designed aiming the study of the cooling caused by a jet of carbon dioxide particles with more accuracy, having as independent variables the angle and time of incidence of the jet.The tests showed the influence of the slab angle in relation to the horizontal in the cooling process with carbon dioxide jet blasting, where upper average heat fluxes and convection coefficients were obtained for null slab angles, with a strong variation of the local values with the variation of the distance to the center of the slab. The results showed a cooling process with efficiencies ranging from 6.39% to 11.59%.