Análise teórica-experimental da influência do ângulo de contato sobre a formação de geada em placa plana sob convecção forçada

Abstract

Resumo: O presente estudo tem como objetivo investigar, por meio de uma abordagem teórico-experimental, o efeito da molhabilidade superficial na formação de geada sobre superfícies planas horizontais sob condições de convecção forcada laminar. Um túnel de vento fechado foi especialmente projetado e construído para fornecer um controle rigoroso das condições psicrométricas do ar na entrada da seção de testes e também das temperaturas da superfície da placa. Um sistema de aquisição de imagem foi usado para medir a espessura da camada de geada ao longo do tempo. Um conjunto de dados composto por 828 pontos de dados experimentais que abrangem diferentes temperaturas da superfície (de -20 a -10 ° C) e temperaturas do ar (de 5 a 16 ° C), com o numero Jakob modificado variando de 1,05 a 2,10 e ângulos de contato variando de 60 ° (hidrofílico) a 123 ° (hidrofóbico) foi coletado para investigar os efeitos individuais e simultâneos dos principais parâmetros de transferência de calor e massa na taxa de crescimento de geada. Uma abordagem de modelagem de primeiros princípios foi usada em conjunto com os dados experimentais obtidos no trabalho para obter uma expressão semi-empirica totalmente algébrica para a espessura da geada como função do tempo, do numero Jakob modificado, do gradiente de umidade e o angulo de contato da superfície. Verificou-se que a correlação proposta foi capaz de prever a maioria dos pontos de dados experimentais (> 90%) para a espessura de geada dentro de limites de erro de +- 15%.

Abstract: The present study is aimed at investigating, by means of a theoretical-experimental approach, the effect of surface wettability on the frost accretion over horizontal flat surfaces under laminar forced convection conditions. A purpose-built closed-loop wind-tunnel facility was especially designed and constructed to provide a strict control of the psychrometric conditions at the entrance of the test section, and also of the plate surface temperatures. An image acquisition system was used to measure the thickness of the frost layer over time. A dataset comprised of 828 experimental data points spanning different surface temperatures (from -20 to -10°C) and air temperatures (from 5 to 16C°), with the modified Jakob number ranging from 1.05 to 2.10, and contact angles ranging from 60° (hydrophilic) to 123° (hydrophobic) was gathered to investigate both the individual and the simultaneous effects of key heat and mass transfer parameters on the frost growth rate. A first-principles modeling approach was used together with the experimental data obtained in-house to come out with a semi-empirical fully-algebraic expression for the frost thickness as a function of the time, the modified Jakob number, the humidity gradient, and the surface contact angle. It was found that the proposed correlation was able to predict most of the experimental data points (>90%) for the frost thickness within +- 15% error bounds.