Design de um Difusor para Spray de Partículas de Neve Carbónica

Abstract

O principal objetivo deste trabalho consiste em estudar experimentalmente a formação de partículas de neve carbónica e a sua aglomeração. As partículas de neve carbónica são produzidas pela rápida expansão do dióxido de carbono líquido através do bocal de expansão com base no efeito de Joule-Thomson. Posteriormente, as partículas de neve carbónica atravessam o difusor de secção divergente que atua como uma câmara de aglomeração. Para a realização deste trabalho, concebe-se uma instalação experimental que permite o estudo das variáveis independentes do bocal de expansão e do difusor, como é o caso do diâmetro do orifício e da altura/diâmetro de saída, respetivamente. A distribuição dos aglomerados de neve carbónica no spray é observada através de uma câmara de alta-velocidade com o auxílio de duas estratégias de iluminação: a retro-iluminação e a luz laser. Os resultados experimentais são divididos em duas partes: (i) análise qualitativa e (ii) análise quantitativa. Da análise qualitativa observa-se que o caudal mássico médio aumenta comoaumentododiâmetrodoorifíciodobocaldeexpansão,oquecontribui para uma maior evolução do diâmetro de secção do spray. Relativamente as parâmetros geométricos do difusor, observa-se que o aumento da sua altura possibilita a interação entre as micro-partículas durante mais tempo, o que leva à formação de aglomerados de grandes dimensões. Por sua vez, a diminuiçãododiâmetrodesaídaimplicaumamaiorprobabilidadedecolisão das micro-partículas entre si e com a superfície interior do difusor, sendo esta última o fator determinante na formação de aglomerados. O processo de aglomeração de partículas de neve carbónica é explicado pelos processos simultâneos da deposição de partículas e a sua reentrada no spray. Com isto, para assegurar a formação do spray de partículas de CO2 é necessário que a razão H/D seja superior a 2. Da análise quantitativa, observa-se que a evolução do diâmetro do spray, à medida que se aumenta o diâmetro do orifício do bocal, é mais significativa para diâmetros inferiores a 2,5 mm. Deste modo, a influência dos bocais com diâmetros superiores a 2,5 mm não apresenta variação considerável na formação do spray de micro-partículas. A velocidade de uma partícula à saída do difusor é influenciada pelos seus parâmetros geométricos, em que, para o difusor com D = 37,5 mm e H = 150 mm a velocidade é aproximadamente o dobro da velocidade de uma partícula do difusor com D = 50 mm e H = 200 mm.

The main goal of this thesis is to conduct an experimental study on the formation of dry ice particles and its agglomeration. The dry ice particles are generated, based on the Joule-Thomson effect, by the sudden expansion of the liquid carbon dioxide in the expansion nozzle. Dry ice particles then travelthroughadiffuserofdivergentsectionwhichactsasanagglomeration chamber. In order to perform the experiments, the installation conceived allows the analysis of the channel diameter in the expansion nozzle and outlet height/diameter in the diffuser. The observation of dry ice clusters distributioninthesprayusesahigh-speedcameraandconsiderstwoillumination strategies: backscatter lighting and a laser light sheet. The experimental data retrieved allows performing a qualitative and quantitative analysis. The qualitative analysis reveals an increase in the average mass flow with a larger expansion nozzle diameter being a contributing factor to a greater evolution of the total spray diameter. Regarding the diffuser geometric characteristics, raising its height enables an increase in the interaction time available for the collision between the dry ice microparticles leading to the formation of agglomerates of larger dimensions. On the other hand, a decrease in the outlet diameter implies a higher probabity of inter-particle collision and collision with the diffuser walls, being the latter the main factor in the agglomerate formation. The agglomerate formation process is explained by the simultaneous event of particles deposition and its reentrance in the spray. In order to maintain the CO2 spray formation it’s crucial that the ratio H/D be higher than 2. From the quantitative analysis, as the expansion nozzle diameter increases, the total spray diameter evolution becomes more significant for diameters below 2,5mm. Therefore, above 2,5 mm the influence of the nozzle diameters is insignificant in the evolution of the total spray diameter. The diffuser geometric parameters have a profound influence in the particles velocity at its outlet, where for a diffuser with D=37,5mm and H=150mm the velocity is almost double the velocity for a diffuser with D=50 mm and H = 200 mm.