Estudo teórico-experimental sobre a condutividade térmica da geada formada em canais de placas paralelas

Abstract

Resumo: Os modelos computacionais empregados para prever o crescimento de uma camada de geada consideram-na como um meio poroso homogêneo, utilizando como base as equações fundamentais da Termodinâmica e dos Fenômenos de Transporte. Há, porém, a necessidade de empregar correlações empíricas para calcular as propriedades termofísicas do meio poroso, particularmente a densidade e a condutividade térmica. A análise da literatura mostra que os estudos sobre a condutividade térmica da geada carecem de uma correlação de base física que possa ser usada em uma ampla faixa de aplicações. Para preencher essa lacuna, o presente trabalho apresenta um estudo teórico-experimental do processo de crescimento da geada com o objetivo de avançar o conhecimento sobre a condutividade térmica do meio poroso formado pelos cristais de gelo em ar úmido. Para atingir tal objetivo, o trabalho foi conduzido em duas frentes: uma experimental e outra computacional. O trabalho experimental foi desenvolvido em um aparato próprio, consistindo num túnel de vento fechado capaz de emular diferentes condições de operação em um canal de placas paralelas, onde são rigorosamente controladas a velocidade, as condições psicrométricas do ar e a temperatura da placa resfriada. A partir de um total de 45 pontos experimentais, uma correlação semi-empírica para condutividade térmica da geada foi desenvolvida, sendo capaz de representar os dados experimentais dentro de uma banda de erro de ±15%. Adicionalmente aos dados experimentais, uma extensa revisão dos dados experimentais disponíveis na literatura aberta permitiu o desenvolvimento de uma correlação complementar para a condutividade térmica da geada formada sobre placas planas. A frente computacional consistiu em determinar a condutividade térmica da geada a partir de um modelo que simula a formação de um meio poroso heterogêneo. Baseado na teoria fractal, o modelo é capaz de determinar o arranjo adquirido pela geada e o usa para avaliar as propriedades termofísicas do meio formado. As simulações conseguem prever de maneira satisfatória a condutividade térmica de uma camada de geada com uma margem de erro de ±15%, em relação aos dados experimentais e à correlação semi-empírica desenvolvida no trabalho.

Abstract: Computational models used to predict the growth of a frost layer usually consider frost as an homogeneous porous medium, and are based on the fundamental principles of Thermodynamics and Transport Phenomena. Nonetheless, those models rely on empirical correlations to compute the thermophysical properties of the frosted medium, particularly the density and the effective thermal conductivity. A review of the state-of-the-art reveals that the open literature lacks of a physically-based model for the thermal conductivity of frost which is also applicable to a wide range of frost morphologies. Therefore, the present work presents a theoretical and experimental investigation of the thermal conductivity of the porous medium formed by ice crystals on moist air. For this propose, the study was conducted in two fronts: an experimental one and a computational one. The experimental work was carried out by means of a purpose-built closed-loop wind-tunnel facility, which is capable to emulate different operational conditions in a test section comprised of a parallel plate channel. The rig provides a strict control of the psychrometric conditions at the entrance of the test section as well as of its surface temperatures. A dataset comprising of 45 experimental points was gathered in order to come up with a semi-empirical correlation for the thermal conductivity of frost, which is able to represent the experimental data points within the 15% thresholds. In addition, a comprehensive literature review with regard to the thermal conductivity of frost formed on flat surfaces was used to come up with a semi-empirical correlation for this geometry. The computational front consisted of putting forward a mathematical model based on both the fractal theory and the finite-volume method, which simulates the morphology of the frosted medium and uses it to evaluate its properties, such as porosity and thermal conductivity. It was found that the model predictions for the thermal conductivity were able to represent the experimental data within the 15% thresholds.