[en] SOLIDIFICATION OF A BINARY SUBSTAME INSIDE A VERTICAL ANNULAR CAVITY
[pt] SOLIDIFICAÇÃO DE MISTURA BINÁRIA EM CAVIDADE ANULAR VERTICAL
Descrição
[pt] Neste trabalho realizou-se um estudo básico numérico- experimental, em geometria anular vertical, sobre a solidificação de um hidrato de sal, cuja mudança de fase se dá analogamente à de ligas metálicas binárias. O sistema escolhido foi a substância NH4CL-H2O, e o processo de solidificação foi estudado em três cavidades, de diferentes razões de aspecto, usando-se soluções de diferentes concentrações iniciais. Em todos os experimentos, idênticas condições inicial e de contorno foram adotadas. Para tal, foi montado um aparato experimental que permitiu a visualização do crescimento da estrutura de sólido junto à parede fria e medições locais de temperatura e concentração. As concentrações iniciais foram escolhidas com o intuito de formar uma base de dados experimentais que descrevesse suficientemente o comportamento do sistema durante a solidificação, no qual determinados resultados foram utilizados na comparação com as previsões numéricas. O problema numérico foi resolvido bidimensionalmente, utilizando-se o método de volumes finitos e, analiticamente, foi aplicada às equações de conservação a técnica de obtenção de valores médios em volume. Além da comparação efetuada entre os resultados numéricos e experimentais sobre a evolução temporal das temperaturas e concentrações, também investigou-se o comportamento da solidificação. Adicionalmente, foi avaliada a influência da razão de aspecto, sob a luz da transferência de calor para a parede fria da cavidade e do crescimento da frente de solidificação, ao longo do tempo. Na parte experimental foi desenvolvida uma técnica de medição da concentração, utilizando-se termopares acoplados a fibras ópticas, que permitiu medir esta grandeza, simultaneamente, em pontos escolhidos no domínio, em tempo real, causando mínima perturbação no meio.[en] In the present work a basic numerical-experimental study was carried out, in vertical annular geometry, about the solidification of a salt hydrate, whose change of phase takes place similarly to the binary metallic alloys. It was chosen the NH4CL-H2O binary system, and the solidification process was studied in three cavities of different aspect ratios, utilizing solutions of distinct initial concentrations. In all the experiments, identical initial and boundary conditions were adopted. For that, an experimental apparatus was set up to be allowed not only the visualization of solid structure growth, that attaches the cold wall, but also local measurements of temperature and concentration. The initial concentration values were chosen to provide an experimental data base that depicted sufficiently the system behavior during the solidification process, in which part of them were used in the comparison with numerical predictions. The numerical problem was solved bi-dimensionally, utilizing the finite volume method and, analytically, it was applied the averaging volume technique to the conservation equations. Besides the comparison between numerical and experimental results about temperature and concentration transients, it was also investigated the solidification behavior. Additionally, it was evaluated both the temporal influence of the aspect ratio against the heat transfer to the cold wall of the cavity, and about the solidification front progress. Further, in the experimental part of this study, it was developed a technique for the determination of the concentration in any point of interest, making use of thermocouples attached to optical fiber sensors, that allowed to make several measurements simultaneously, in real time, causing minimal disturbance in the medium.