Otimização de trocadores de calor de tubos aletados circulares e elípticos em regime turbulento

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mainardes, Roque Luiz Sutil
Data de Publicação: 2007
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/11013
Resumo: Inclui apêndices
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spelling Matos, Rudmar SerafimOrdonez, Juan Carlos, 1973-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPEVargas, José Viriato Coelho, 1958-Mainardes, Roque Luiz Sutil2024-05-23T19:03:22Z2024-05-23T19:03:22Z2007https://hdl.handle.net/1884/11013Inclui apêndicesOrientador: José Viriato C. VargasCoorientadores: Rudmar S. de Matos e Juan Carlos OrdonezTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPE. Defesa: Curitiba, 2007Inclui bibliografiaResumo: Este trabalho apresenta um estudo de otimização geométrica experimental para maximizar a taxa de transferência total de calor e também para minimizar a potência de bombeamento do ventilador, entre um feixe de tubos aletados em um dado volume e um determinado fluxo externo, ambos para arranjos de tubos circulares e elípticos, para configurações gerais.O procedimento de otimização começou pelo reconhecimento da disponibilidade limitada do espaço de projeto como uma restriçãodo volume fixo. Os resultados experimentais foram obtidos para configurações circulares e elípticas com um número fixo de tubos (12), começando-se com uma configuração triangular eqüilateral que preencheu uniformemente o volume fixo resultando em um espaçamento entre tubos adimensional máximo S/2b= 1,5, onde,S é o espaçamento real e b é o semi-eixo menor da elipse. Várias configurações experimentais foram construídas por redução do espaçamento entre tubos, identificando-se assim o espaçamento ótimo para a máxima transferência de calor e a mínima potência de bombeamento. Semelhantemente, foi possível investigar a existência dos ótimos com respeito a outros dois graus de liberdade geométricos, isto é, a excentricidade dos tubos e os espaçamentos entre aletas. Os resultados são apresentados para o ar como o fluido externo, na faixa de 2650 Re2b10600, onde 2b é o eixo menor do tubo de seção elíptica. Arranjos circulares e elípticos com a mesma área de obstrução da seção transversal do fluxo foram comparados com base na transferência de calor total máxima e na mínima potência de bombeamento do ventilador. Para baixos valores da velocidade do fluxo livre, ug, na entrada do sarranjos, as perdas de carga esperadas são aproximadamente equivalentes com tal critério, mas para altas velocidades já no regime turbulento as perdas de carga variam com a forma da seção transversal,a minimização da potência de bombeamento está no âmbito do presente trabalho. Resultados da otimização experimental para tubos aletados em arranjos circular e elíptico são apresentados. Um relativo ganho na transferência de calor acima de 34% (Re2b= 10600) é observado no arranjo elíptico otimizado com relação ao espaçamento entre tubos, quando comparado como arranjo circular otimizado. Tais descobertas motivaram a pesquisa para otimizar com relação a mais dois graus de liberdade, isto é, a excentricidade e o espaçamento entre aletas. Com esta otimização, obteve-se um ganho relativo na transferência de calor de mais de 23% no arranjo elíptico otimizado para os três graus de liberdade em comparação como arranjo circular otimizado para dois graus de liberdade, i.e., com relação ao espaçamento entre tubos e o espaçamento entre aletas. No caso da perda de carga há uma perda mínima, que comparada com os valores obtidos para e = 1.0 (tubos circulares) e e 0.5 (tubos elípticos) verifica-se uma redução de mais de 8% para os tubos elípticos. Tais descobertas motivaram a pesquisa para se otimizar também com relação a mais dois graus de liberdade, isto é, a excentricidade e o espaçamento entre aletas.Abstract: This work presents an experimental geometric optimization study to maximize the total heat transfer rate and to minimize the pumping power of the fan, between abundle of tinned tubes in a given volume and a given external flow both for circularand elliptic arrangements, for general staggered configurations. The optimizationprocedure started by establishing a fixed volume constraint to account for the designlimited space availability. The experimental results were obtained for circular andelliptic configurations with a fixed number of twelve tubes, starting with an equilateraltriangle configuration, which fitted uniformly into the fixed volume with a resultingmaximum dimensionless tube-to-tube spacing S/2b = 1.5, whereS is the actual spacingand b is the smaller ellipse semi-axis. A number of experimental configurations werebuilt by reducing the tube-to-tube spacings, identifying the optimal spacing formaximum heat transfer and for minimum pumping power. Similarly, it was possible toinvestigate the existence of optima with respect to other two geometric degrees offreedom, i.e., tube eccentricity and fin-to-fin spacing. The results are reported forair asthe external fluid, in the range 2650 Re2b< 10600, where 2b is the smaller ellipseaxis. Circular and elliptic arrangements with the same air input velocity and flowobstruction cross-sectional area were compared on the basis of maximum total heattransfer and of minimum pumping power of the fan. For low values of the free streamvelocity, ug, pressure drops are expected to be nearly equivalent with such criterion,but for higher velocities in the turbulent regime pressure drops are expected to varywith cross section shape, the minimization of pumping power was the scope of thepresent study. Experimental optimization results for tinned circular and elliptic tubesarrangements are presented. A relative heat transfer gain of up to34% (Re2b= 10600)is observed in the elliptic arrangement optimized with respect to tube-to-tube spacings,as compared to the optimal circular one. In the case of the pressure drop there is a clear minimal pressure drop that in comparison with values obtained for e = 1.0 (circulartubes) and elliptical (e = 0.5) with the relative pressure drop reduction of up to 8%observed in all cases studied. Such findings motivated the search for optima withrespect to two additional degrees of freedom, i. e., eccentricity and fin-to-fin spacing.A relative heat transfer gain of up to 23% is observed in the three-way optimizedelliptic arrangement in comparison with the two-way optimized circular one, i.e., withrespect to tube-to-tube and fin-to-fin spacings. xxv, 152f. : il. algumas color., grafs., tabs.application/pdfDisponível em formato digitalCalor - TransmissãoAr condicionadoRefrigeraçãoDifusividade termicaCalor - ConduçãoEngenharia de Materiais e MetalurgiaOtimização de trocadores de calor de tubos aletados circulares e elípticos em regime turbulentoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALtese versão final completa_Roque.pdfapplication/pdf4890674https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/11013/1/tese%20vers%c3%a3o%20final%20completa_Roque.pdf1c83cd2c2cd5f543b71bd1472b9e1b99MD51open accessTEXTtese versão final completa_Roque.pdf.txtExtracted Texttext/plain244552https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/11013/2/tese%20vers%c3%a3o%20final%20completa_Roque.pdf.txtd2d73b9c1ee85497b8876d2c4705fa68MD52open accessTHUMBNAILtese versão final completa_Roque.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1255https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/11013/3/tese%20vers%c3%a3o%20final%20completa_Roque.pdf.jpg7458db63e23c90f66bf9d24921ff84faMD53open access1884/110132024-05-23 16:03:22.391open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/11013Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-05-23T19:03:22Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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