Teoria construtal aplicada à otimização geométrica da disposição dos tubos de um trocador de calor com arranjo de tubos alternados
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Data
2018-02-28
Autores
Orientador
Lober, Hermany
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Editor
Resumo
No cotidiano, é possível deparar-se com situações que envolvam aplicações da transferência de calor desde residências até o ambiente de trabalho. Frequentemente, em processos industriais, faz-se necessária a utilização de trocadores de calor para realização de extração ou adição de calor em fluidos. Atualmente, existem diversos tipos e configurações destes equipamentos, sendo estes aplicados em situações apropriadas. A Teoria Construtal tem como objetivo melhorar as formas geométricas de algum sistema.
Podendo-se citar a otimização de estruturas que visa um aumento de transferência de calor através de sua otimização geométrica. Este trabalho teve como principal objetivo a otimização geométrica da disposição dos tubos de um trocador de calor com arranjo de tubos alternados por meio da aplicação da Teoria Construtal. A solução numérica dos problemas propostos foi realizada empregando o software ANSYS Fluent, com a finalidade de aumentar a eficiência da transferência de calor dos tubos com os fluidos power-law. Avaliou-se a influência do número de Reynolds (Re) e do índice de comportamento do escoamento (n) sobre o passo longitudinal ótimo, variando Re de 75 a 1200 e n de 0,4 a 1. Os resultados obtidos, para um escoamento com Pr = 7, n = 0,6 e o Re variando de 75 a 1200, mostram que o aumento do Re influencia positivamente na transferência de calor, devido ao aumento do ∑Nu. Observa-se que para os casos nos quais o Re varia de 75 a 300, as distâncias longitudinais ótimas são de 1,95. E os casos com Re igual a 800 e 1200, apresentaram uma distância longitudinal ótima de 2,2. Já a variação do índice de comportamento do escoamento, de 0,4 a 1, em um escoamento com Pr = 7 e Re = 150 mostra que ocorre um aumento da transferência de calor em função do aumento do n. Os valores das distâncias longitudinais ótimas para os n de 0,4, 0,6 e 1 são de 1,95, e paro o n de 0,8 é de 1,8.
In everyday life, it is possible to encounter situations that involve applications of heat transfer from residences to the work environment. Often in industrial processes, it is necessary to heat exchangers for performing the extraction or addition of heat in fluids. Currently, there are several types and configurations of these equipment, and these are applied in appropriate situations. The Construtal Theory aims to improve the geometric forms of some system. One can cite the optimization of structures that aims at an increase of heat transfer through its geometric optimization. This work had as main objective the geometric optimization of the tube arrangement of a heat exchanger with alternating tube arrangement through the application of the Construtorial Theory. The numerical solution of the problems proposed were performed using ANSYS software Fluent, for the purpose of increase the heat transfer efficiency of the tubes with power-law fluids. It was evaluated the influence of Reynolds number (Re) and flow behavior index (n) on the optimum longitudinal pitch ranging Re 75 to 1200 and n is from 0,4 to 1. The results obtained, for a flow with Pr = 7, n = 0,6 and the Re ranging from 75 to 1200, show that the increase of Re influences positively the heat transfer due to the increase of ∑Nu. It is observed that for the cases in which the Re varies from 75 to 300, the optimal longitudinal distances are 1,95. And the cases with Re equal to 800 and 1200, presented an optimal longitudinal distance of 2,2. The variation of the flow behavior index, from 0,4 to 1, in a flow with Pr = 7 and Re = 150 shows that an increase in heat transfer occurs as a function of the increase of n. The values of the optimal longitudinal distances for n of 0,4, 0,6 and 1 are 1,95, and the n of 0,8 is 1,8.
In everyday life, it is possible to encounter situations that involve applications of heat transfer from residences to the work environment. Often in industrial processes, it is necessary to heat exchangers for performing the extraction or addition of heat in fluids. Currently, there are several types and configurations of these equipment, and these are applied in appropriate situations. The Construtal Theory aims to improve the geometric forms of some system. One can cite the optimization of structures that aims at an increase of heat transfer through its geometric optimization. This work had as main objective the geometric optimization of the tube arrangement of a heat exchanger with alternating tube arrangement through the application of the Construtorial Theory. The numerical solution of the problems proposed were performed using ANSYS software Fluent, for the purpose of increase the heat transfer efficiency of the tubes with power-law fluids. It was evaluated the influence of Reynolds number (Re) and flow behavior index (n) on the optimum longitudinal pitch ranging Re 75 to 1200 and n is from 0,4 to 1. The results obtained, for a flow with Pr = 7, n = 0,6 and the Re ranging from 75 to 1200, show that the increase of Re influences positively the heat transfer due to the increase of ∑Nu. It is observed that for the cases in which the Re varies from 75 to 300, the optimal longitudinal distances are 1,95. And the cases with Re equal to 800 and 1200, presented an optimal longitudinal distance of 2,2. The variation of the flow behavior index, from 0,4 to 1, in a flow with Pr = 7 and Re = 150 shows that an increase in heat transfer occurs as a function of the increase of n. The values of the optimal longitudinal distances for n of 0,4, 0,6 and 1 are 1,95, and the n of 0,8 is 1,8.
Descrição
Palavras-chave
Otimização geométrica; Teoria Construtal; Trocador de Calor; Arranjo de tubos alternados; Fluido power-law
Citação
HELFENSTEIN, Rodolfo Prediger. Teoria construtal aplicada à otimização geométrica da disposição dos tubos de um trocador de calor com arranjo de tubos alternados. 2017. Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, 06 dez. 2017. Disponível em: http://hdl.handle.net/10737/1947.