Conceção e calibração experimental de um modelo de apoio ao projeto de um dispositivo de arrefecimento por vácuo

Abstract

Hoje em dia, há a necessidade de melhorar e controlar os fenómenos de transferência de calor e massa para que os processos industriais sejam mais rápidos e eficientes. Posto isto, os académicos têm desenvolvido diversos projetos para encontrar alternativas para otimizar esses processos. A vaporização sob baixa pressão é uma dessas tecnologias, sendo o seu estudo o propósito principal desta tese.Numa primeira fase, desenvolve-se um modelo matemático da evolução da pressão em duas câmaras de vaporização de diferentes dimensões. A partir deste modelo verifica-se que a taxa de redução da pressão é superior na câmara de menor tamanho comparando com a da câmara maior. Foi também construída uma instalação experimental de modo a validar o modelo matemático. A segunda fase deste trabalho destina-se a analisar o comportamento da vaporização sob baixa pressão de água livre num sistema adiabático. Neste âmbito, realizou-se dois procedimentos experimentais com duas câmaras com volumes distintos, onde se observou o efeito que diferentes parâmetros iniciais têm sobre a evolução da temperatura da água e da pressão no interior das câmaras de vaporização ao longo do tempo. A última fase tem como propósito o estudo da vaporização sob baixa pressão de água livre num sistema não adiabático. Desta forma, foi construída uma instalação experimental com uma câmara de vaporização, cujo ambiente termodinâmico onde o sistema está inserido é não adiabático. Paralelamente à fase anterior, o objectivo é analisar as evoluções temporais da temperatura da água e da pressão no interior da câmara de vaporização. Por último, compara-se o desempenho dos dois sistemas termodinâmicos anteriormente descritos, concluindo-se que para volumes iniciais de água menores é mais vantajoso utilizar sistemas não adiabáticos, e para volumes iniciais maiores é preferível usar um sistema adiabático. Esta dissertação visa mostrar a importância do estudo desta tecnologia (vaporização sob baixa pressão), uma vez que a sua utilização pode melhorar os fenómenos de transferência de calor e massa, permitindo a criação de novos produtos ou equipamentos relevantes para processos industriais.

Nowadays, there is a need to improve and control the phenomena of heat and mass transfer for a greater efficiency and quickness of industrial processes. Therefore, the academics have developed several projects in order to find alternatives to optimize these processes. Low pressure vaporization is one of those technologies, being its study the main purpose of this paper.In a first phase, a mathematical model of the pressure development in two vaporization chambers of different dimensions is developed. From this model it is verified that the pressure reduction rate is higher in the smaller chamber when compared to the bigger chamber. An experimental setup was also constructed to validate the mathematical model. The second phase of this work aims to analyze the behavior of low pressure vaporization of free water in an adiabatic system. In this area, two experimental procedures with two chambers of distinct volumes are carried out, in which the effect of different initial parameters on the evolution of water temperature and pressure inside the vaporization chambers over time is analyzed. The final phase has the purpose of studying low pressure vaporization of free water in a non-adiabatic system. In this way, an experimental installation with a vaporization chamber was developed, whose thermodynamic environment where the system is inserted is non-adiabatic. Parallel to the previous phase, the purpose of this phase is to analyze the temporal evolutions of the water temperature and the pressure inside the vaporization chamber. Finally, the performance of the two thermodynamic systems is compared, concluding that for smaller initial water volumes it is more advantageous to use non-adiabatic systems, and for larger initial volumes it is preferable to use an adiabatic system.This dissertation aims at showing the importance of the study of this technology, since its use can improve the phenomena of heat and mass transfer, enabling the development of new products or equipment that are relevant for the industrial processes.