Process engineering experimental determination of heat and mass transfer coefficients in thermoformed PVC evaporative media

Resumo Técnico: Determinação Experimental de Engenharia de Processos dos Coeficientes de Transferência de Calor e Massa em Meios Evaporativos de PVC Termoformado

Definição do Problema
O resfriamento evaporativo direto (DEC) é uma tecnologia amplamente aceita devido à sua eficiência energética e ao uso da água como fluido de trabalho. No entanto, o projeto de engenharia de sistemas DEC é dificultado por várias lacunas críticas identificadas na literatura existente. Um problema primário é a suposição generalizada de que as taxas de transferência de calor e massa no resfriamento evaporativo procedem a taxas iguais, implicando um fator de Lewis ($N_{Le}$) de unidade. Estudos anteriores mostraram discrepâncias significativas entre essa suposição e os resultados experimentais, com fatores de Lewis variando entre 0,6 e 1,3, dependendo da umidade e das condições de fluxo. Além disso, há uma carência de correlações exatas e confiáveis para avaliar os coeficientes de transferência de calor e massa especificamente para meios de PVC termoformados, e uma escassez de equações matemáticas simplificadas, porém precisas, que relacionem esses coeficientes com a velocidade linear do ar. Este artigo aborda a necessidade de preencher essas lacunas através da determinação experimental desses coeficientes e do desenvolvimento de uma metodologia de projeto dependente.

Metodologia
O estudo empregou uma configuração experimental consistindo em uma unidade de resfriador evaporativo direto equipada com quatro ventiladores de sucção e duas seções de teste capazes de acomodar blocos de até 40 cm de espessura de meio evaporativo de PVC termoformado. Foram utilizados três tipos de meios de enchimento de filme (Onda 12, 19 e 27) com áreas de superfície específica de 248, 152 e 120 $m^2/m^3$, respectivamente.

A campanha experimental cobriu uma ampla gama de parâmetros operacionais:

• Vazões Volumétricas de Ar: 4.000 a 16.000 $Nm^3/h$ (correspondendo a velocidades de ar frontal de 0,79–3,16 $kg/m^2\cdot s$).
• Taxas de Aspersão de Água: 2,39–9,58 $kg/m^2\cdot s$.
• Condições Térmicas: Temperaturas de bulbo seco de entrada variando de 35°C a 43°C e bulbo úmido de 17°C a 25,5°C.

As medições foram realizadas utilizando termopares do tipo E para temperaturas de bulbo seco e úmido, um anemômetro de fio quente para velocidade do ar e um termohigrômetro para umidade. Os dados foram registrados automaticamente a cada minuto. Os dados experimentais foram analisados por meio de modelagem matemática baseada em equações simultâneas de balanço de calor e massa. O estudo utilizou regressão estatística para correlacionar os dados experimentais com modelos teóricos, examinando especificamente a relação entre os números de Nusselt ($Nu$) e Sherwood ($Sh$).

Principais Contribuições e Resultados
A pesquisa produziu vários achados técnicos e contribuições específicas:

1. Taxas de Transferência Desproporcionais: Dados experimentais confirmaram que as taxas de transferência de calor e massa não são iguais ($N_{Le} \neq 1$). O estudo demonstrou que tanto o coeficiente de transferência de calor quanto o de massa são diretamente proporcionais à velocidade do ar frontal e à área de superfície específica do módulo do painel, e inversamente proporcionais à espessura do módulo do painel.
2. Novo Número Adimensional ($N_{Sb}$): Para explicar o desvio da unidade no fator de Lewis, o autor introduziu um novo número adimensional de dinâmica de fluidos térmica, o número de Shaaban ($N_{Sb}$), definido como a razão entre o número de Nusselt e o número de Sherwood ($N_{Sb} = Nu/Sh$). Este número relaciona as taxas de transferência de calor e massa por convecção com seus respectivos contrapartes de condução (difusão).
3. Correlações Empíricas: O estudo derivou expressões matemáticas exatas para os coeficientes de transferência de calor ($h_{ch}$) e de massa ($k_{cdm}$) como funções da velocidade frontal do ar ($V_{ma}$), seguindo a relação $Coeficiente \propto V_{ma}^{0,8}$.
4. Equações de Projeto: Uma relação universal entre a eficiência do resfriador ($\varepsilon$) e o Número de Unidades de Transferência (NTU) foi estabelecida. O artigo fornece tanto equações logarítmicas quanto polinomiais de 6ª ordem para prever a eficiência com base no NTU, oferecendo uma base mais confiável para o dimensionamento de unidades DEC do que os métodos anteriores.
5. Sensibilidade de Parâmetros:
   • Espessura do Painel: O aumento da espessura melhora a eficiência, embora os ganhos se tornem impraticáveis além de 0,4 m.
   • Velocidade do Ar: Velocidades de ar frontal mais baixas resultam em maiores eficiências de resfriamento e maiores quedas de temperatura.
   • Temperaturas: Temperaturas de bulbo seco e úmido de entrada mais altas geralmente levam a coeficientes de transferência mais altos, embora o efeito na eficiência global varie com a velocidade.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer uma "metodologia de engenharia dependente" para o projeto de resfriadores evaporativos diretos. Ao afastar-se da suposição de que o fator de Lewis é igual a unidade, as correlações propostas e a introdução do número de Shaaban ($N_{Sb}$) oferecem uma representação mais precisa dos processos físicos ocorrendo na interface ar-água.

O autor afirma que a utilização dessas equações derivadas permite o dimensionamento preciso de unidades DEC, considerando tanto as vazões volumétricas de ar quanto a área de superfície específica do meio. O estudo conclui que a implementação desses projetos otimizados em aplicações de grande escala, como uma "fazenda de DEC verde" com capacidade de 1075 Rt, pode reduzir significativamente o consumo de energia e as emissões de CO2 (estimadas em 22.800 toneladas métricas anuais de usinas a carvão e 9.500 de usinas a gás natural), contribuindo assim para a mitigação do aquecimento global. O trabalho enfatiza que as correlações desenvolvidas são verificadas experimentalmente e fornecem uma base sólida para a engenharia de processos no resfriamento evaporativo.