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EM974 – Métodos computacionais em engenharia térmica e ambiental Tema: Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado em alinhamento triangular. Alunos: Ricardo Almeida PradoRa: 064128 Paulo Henrique dos Santos MoraisRa: 063592 Professor: Eugênio Spanó Rosa. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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EM974 – Métodos computacionais em engenharia térmica e ambiental
Tema: Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado em alinhamento triangular
Alunos:Ricardo Almeida Prado Ra: 064128Paulo Henrique dos Santos Morais Ra: 063592Professor:Eugênio Spanó Rosa
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Sumário:• Introdução• Motivação• Problema proposto• Resolução Analítica• Modelagem computacional• Resultados• Conclusão
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Introdução:
• O projeto consiste na simulação de um trocador de calor com um escoamento cruzado através de um feixe de tubos com arranjo triângular. A troca de calor acontece através de um escoamento de um fluido a uma temperatura elevada chocando-se em tubos cruzados com temperaturas menores e arranjo triângular conhecido também na literatura como quincôncio.
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Motivação:
• Equipamento amplamente utilizado em indústrias químicas, petrolíferas, metalúrgicas.
• Utilizado em plantas termoelétricas: caldeiras, evaporadores e recuperadores de energia
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Motivação:
• Automóveis: radiador, ar condicionado, intercooler
• Uso doméstico: aquecedores de água, refrigeradores
• Uso comercial: chopeiras
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Motivação:
• Objetivo: obter o maior aproveitamento possível da energia térmica de algum fluido de escape para aquecer ou resfriar outro tipo de fluido.
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Problema proposto:
• 36 tubos na direção longitudinal• 15 tubos na direção transversal• Total de 540 tubos
• Trocador de calor de correntes cruzadas, em alinhamento de quincôncio
• Gases quentes entrando a 427ºC• Água entrando a 17ºC
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Problema proposto:
Objetivo: Modelar e simular o trocador de calor obtendo dados como : - temperatura de saída dos gases - transferência total de calor
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Resolução analítica:
• Solução analítica feita pelo método da efetividade – e-NUT
• Considerações:• Regime permanente• Pressão atmosférica na
descarga
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Resolução analítica:
• Cálculo do número de Reynolds máximo, no diâmetro do tubo
• A velocidade máxima do fluido misturado para banco de tubos de arranjo triangular poderá ocorrer em dois planos transversais dependendo da configuração do trocador.
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Resolução analítica:
Propriedades:ρ = 0,633 kg/m³cp = 1040 J/kg.Kν = 288,4 E-7 m²/sk = 0,0439 W/m.kPr = 0,633Prs = 0,695 (T=373K)
Equações:
=
=
• Correlação de Zhukaukas
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Resolução analítica:
Propriedades:ρ = 0,633 kg/m³cp = 1040 J/kg.Kν = 288,4 E-7 m²/sk = 0,0439 W/m.kPr = 0,633Prs = 0,695 (T=373K) =
• Resultados obtidos:
• Temperatura de saída do ar:
• T= 569 K = 296ºC
• Transferência de calor total:• q = 5,44*106 W
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional – Pré simulação:
Modelo inicial:
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional – Pré simulação:
• Modelo considerando o ar circulando em corrente cruzada contra o banco de tubos
• Escoamento dentro dos tubos considerado
• Domínio fixado como o ar• Tubos modelados como
blockages em formato Tube
• Inlets e outlets individuais para cada tubo fixando a vazão mássica de entrada no tubo e a temperatura de entrada
• Vazão mássica de entrada de ar de 40kg/m³, a 427ºC (700K)
• Vazão mássica total circulando nos tubos de 50kg/m³, entrando a 17ºC (290K)
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Resultados – Pré-simulação:
• Distribuição de temperatura obtida
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Resultados – Pré simulação:
• PROBLEMAS:
• Resíduo muito alto – resultado não confiável
variable resref (res sum)/resref (res sum)TEM1 3.358E+00 1.493E+03 5.015E+03
• Problemas de convergência da solução• Alto tempo de processamento• Dificuldades em conciliar o escoamento externo, que
interage com os tubos, e com o escoamento interno.
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional- Simplificações:
• Redução de modelo computacional
• Aumento dos espaçamentos entre os tubos, resultando em um menor número de tubos para o mesmo volume do trocador de calor
• Base da modelagem mantida: escoamento externo do ar e escoamento interno de água dentro dos tubos
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
• PROBLEMAS:• Resíduo muito alto – resultado não confiável
variable resref (res sum)/resref (res sum)P1 1.695E-04 1.051E+03 1.782E-01U1 1.692E-03 4.938E+01 8.357E-02V1 3.250E-03 1.122E+01 3.647E-02W1 2.567E-04 6.066E+02 1.557E-01TEM1 2.416E+01 1.425E+00 3.442E+01
• Problemas de convergência da solução• Alto tempo de processamento• Dificuldades em conciliar o escoamento externo, que interage com os tubos, e
com o escoamento interno.
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Simplificações:
• Temperatura fixa nos tubos – média das temperaturas de entrada e saída da água 47ºC (320K)
• Exclusão do escoamento interno• Redução de modelo computacional
• Tubos agora definidos como blockages no formato cylinder
• Domínio com 1/5 do tamanho inicial, bem como a vazão mássica no modelo reduzido
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Teste inicial com a malha automática do Phoenics:
• Perfil de temperatura
Temperatura na Saída do trocador:
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Teste inicial com a malha automática do Phoenics:
• Perfil de velocidades
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Teste inicial com a malha automática do Phoenics:
• Perfil de velocidades em ZOOM
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
• Resíduos Whole-field residuals before solution with resref values determined by EARTH & resfac= 1.000000E-03 variable resref (res sum)/resref (res sum) P1 4.707E-04 8.010E-01 3.770E-04 OK U1 1.872E-02 9.657E-01 1.808E-02 OK W1 1.242E-03 9.503E-01 1.181E-03 OK TEM1 1.633E+02 6.127E+02 1.001E+05 Ñ OK
• Transferência de calorNett source of TEM1 at patch named: OB3 (INLETALL) = 5.823999E+06Nett source of TEM1 at patch named: OB4 (OUTLETAL) =-5.726179E+06pos. sum= 5.823999E+06 neg. sum=-5.726179E+06nett sum= 9.782000E+04
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• PROBLEMAS:• Velocidade e pressão com boa convergência.• Temperatura não convergiu.
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Gradiente de temperatura
Temperatura na Saída do trocador:
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Perfil de velocidades
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Perfil de velocidades em ZOOM
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Perfil da queda de pressão
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
• Resíduos Whole-field residuals before solution with resref values determined by EARTH & resfac= 1.000000E-03 variable resref (res sum)/resref (res sum) P1 3.355E-04 1.281E+01 4.300E-03 OK U1 1.755E-02 1.551E+00 2.721E-02 OK W1 4.920E-03 9.674E+00 4.759E-02 OK TEM1 1.551E+02 1.060E+03 1.645E+05 Ñ OK
• Transferência de calorNett source of TEM1 at patch named: OB3 (INLETALL) = 5.823999E+06Nett source of TEM1 at patch named: OB4 (OUTLETAL) =-5.587188E+06pos. sum= 5.823999E+06 neg. sum=-5.587188E+06nett sum= 2.368110E+05
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
• Velocidade e pressão com boa convergência.• Temperatura não convergiu.
![Page 32: Alunos: Ricardo Almeida PradoRa: 064128 Paulo Henrique dos Santos MoraisRa: 063592 Professor:](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062407/56812a92550346895d8e3ff5/html5/thumbnails/32.jpg)
Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Terceiro teste, agora quadruplicando a malha automática original do Phoenics:
• Gradiente de temperatura
Temperatura na Saída do trocador:
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Perfil de velocidades
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Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Perfil de velocidades em ZOOM
![Page 35: Alunos: Ricardo Almeida PradoRa: 064128 Paulo Henrique dos Santos MoraisRa: 063592 Professor:](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062407/56812a92550346895d8e3ff5/html5/thumbnails/35.jpg)
Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados :
• Segundo teste, agora duplicando a malha automática original do Phoenics:
• Perfil da queda de pressão
![Page 36: Alunos: Ricardo Almeida PradoRa: 064128 Paulo Henrique dos Santos MoraisRa: 063592 Professor:](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062407/56812a92550346895d8e3ff5/html5/thumbnails/36.jpg)
Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
• ResíduosWhole-field residuals before solution with resref values determined by EARTH & resfac= 1.000000E-03 variable resref (res sum)/resref (res sum) P1 1.668E-04 3.167E+01 5.283E-03 OK U1 8.283E-03 3.405E+00 2.820E-02 OK W1 2.034E-03 2.499E+01 5.082E-02 OK TEM1 7.763E+01 4.511E+03 3.502E+05 Ñ OK
Transferência de calorNett source of TEM1 at patch named: OB3 (INLETALL) = 5.824002E+06Nett source of TEM1 at patch named: OB4 (OUTLETAL) =-5.325196E+06pos. sum= 5.824002E+06 neg. sum=-5.325196E+06nett sum= 4.988060E+05
![Page 37: Alunos: Ricardo Almeida PradoRa: 064128 Paulo Henrique dos Santos MoraisRa: 063592 Professor:](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062407/56812a92550346895d8e3ff5/html5/thumbnails/37.jpg)
Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Modelagem computacional - Resultados:
• PROBLEMAS:• Velocidade e pressão com boa convergência.• Temperatura não convergiu.
![Page 38: Alunos: Ricardo Almeida PradoRa: 064128 Paulo Henrique dos Santos MoraisRa: 063592 Professor:](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062407/56812a92550346895d8e3ff5/html5/thumbnails/38.jpg)
Transferência de calor em um trocador de calor em escoamento cruzado
Conclusões:
• O modelo computacional apresentou uma tendência a convergir para a solução, à medida em que se aumenta a malha.
• O problema de velocidades e pressão converge bem, mas o problema de temperatura não apresentou o mesmo desempenho.
• Se houvesse maior disponibilidade de recursos computacionais, haveria possibilidade de fazer um refino ainda maior da malha afim de obter melhoes resultados