Otimização e comparação de desempenho de trocadores de calor de tubos circulares e elípticos aletados

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Matos, Rudmar Serafim
Data de Publicação: 2003
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/74882
Resumo: Orientador: José Viriato C. Vargas
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spelling Laursen, Tod AUniversidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPEVargas, José Viriato Coelho, 1958-Matos, Rudmar Serafim2024-05-09T19:17:36Z2024-05-09T19:17:36Z2003https://hdl.handle.net/1884/74882Orientador: José Viriato C. VargasCoorientador: Tod A. LaursenTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPEResumo: Este trabalho apresenta um estudo de otimização geométrica numérico e experimental para maximizar a taxa de transferência total de calor entre um feixe de tubos aletados ou não aletados em um determinado 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 restrição do 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. 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 100 < Re2b < 1000, 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. Este critério permitiu para todos arranjos perdas de pressão totais equivalentes independentemente da forma da seção transversal do tubo, sendo possível desta maneira a quantificação do ganho de transferência de calor da maneira mais isolada possível. A primeira parte do capítulo V apresenta os resultados numéricos bidimensionais (2-D) e tridimensionais (3-D) de otimização para os arranjos de tubos circulares e elípticos não aletados e aletados que são validados pela comparação direta com medições experimentais com boa concordância. Ótimos globais com relação ao espaçamento entre tubos, excentricidade e o espaçamento entre aletas (S/2b ~= 0,5, e ~= 0,5 e fi = 0,06 para Re2b = 100 e 1000, respectivamente) foram encontrados e apresentados através de variáveis adimensionais gerais. Um ganho relativo de transferência de calor de até 19 % é observado no arranjo elíptico ótimo, em comparação ao arranjo circular ótimo. O ganho de transferência de calor, combinado com a redução da massa de material de até 32 % observados no arranjo elíptico ótimo, em comparação ao arranjo circular ótimo, demonstra que arranjos de tubos elípticos têm potencial para um desempenho consideravelmente melhor e menor custo do que os arranjos convencionais de geometria circular. A segunda parte do capítulo V apresenta os resultados de otimização experimental para arranjos de tubos circulares e elípticos não aletados e aletados para uma faixa de números de Reynolds maiores, i.e., para Re2b = 334, 667 e 1000. Um ganho relativo de transferência de calor de até 20 % é observado no arranjo elíptico ótimo, em comparação ao arranjo circular ótimo. As medições experimentais mostram a existência de excentricidade ótima local (S/2b = 0,25 e espaçamento entre aletas fixo) como espaçamento entre aletas ótimo local (tubo circular e S/2b=0,5), o que motivou a busca dos ótimos globais com respeito ao espaçamento entre tubos, excentricidade e espaçamento entre aletas no estudo de otimização numérica tridimensional (3-D).Abstract: This work presents a numerical and experimental geometric optimization study to maximize the total heat transfer rate between a bundle of finned or non-fmned tubes in a given volume and a given external flow both for circular and elliptic tube arrangements, for general staggered configurations. The optimization procedure started by recognizing the design limited space availability as a fixed volume constraint. The experimental results were obtained for circular and elliptic configurations with a fixed number of tubes (12), starting with an equilateral triangle configuration, which fitted uniformly into the fixed volume with a resulting maximum dimensionless tube-to-tube spacing S/2b = 1.5, where S is the actual spacing and b is the smaller ellipse semi-axis. Several experimental configurations were built by reducing the tube-to-tube spacings, identifying the optimal spacing for maximum heat transfer. Similarly, it was possible to investigate the existence of optima with respect to other two geometric degrees of freedom, i.e., tube eccentricity and fin-to-fin spacing. The results are reported for anas the external fluid, in the range 100 < Re2b < 1000, where 2b is the smaller ellipse axis. Circular and elliptic tube arrangements with the same flow obstruction crosssectional area were compared on the basis of maximum total heat transfer. This criterion allows one to quantify the heat transfer gain in the most isolated way possible, by studying arrangements with equivalent total pressure drops independently of the tube cross section shape. The first part of chapter V reports two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) numerical optimization results for non finned and finned circular and elliptic tubes arrangements, which are validated by direct comparison with experimental measurements with good agreement. Global optima with respect to tube-to-tube spacing, eccentricity and fin-to-fin spacing (S/2b ~= 0.5, e ~= 0.5 and fi ~= 0.06 for Re2b = 100 and 125, respectively) were found and reported in general dimensionless variables. A relative heat transfer gain of up to 19 % is observed in the optimal elliptic arrangement, as compared to the optimal circular one. The heat transfer gain, combined with the relative material mass reduction of up to 32 % observed in the optimal elliptic arrangement in comparison to the circular one, show that the elliptical arrangement has the potential for a considerably better overall performance and lower cost than the traditional circular geometry. The second part of chapter V presents experimental optimization results for non-finned and finned circular and elliptic tubes arrangements, for a higher range of Reynolds numbers, i.e., for Re2b = 334, 667 and 1000. A relative heat transfer gain of up to 20 % is observed in the optimal elliptic arrangement, as compared to the optimal circular one. Both local optimal eccentricity (S/2b = 0.25 and fixed fin-to-fin spacing) and local optimal fin-to-fin spacing (circular tube and S/2b = 0.5) are shown to exist, which motivated the search for global optima with respect to tube-to-tube spacing, eccentricity and fin-to-fin spacing in a three-dimensional (3-D) numerical optimization study.xxiv, 224f. : il., retrs., grafs.application/pdfDisponível em formato digitalPermutadores térmicos - Modelos matemáticosCalor - TransmissãoEngenharia de Materiais e MetalurgiaOtimização e comparação de desempenho de trocadores de calor de tubos circulares e elípticos aletadosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALD - T - RUDMAR SERAFIM MATOS.pdfapplication/pdf66176746https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/74882/1/D%20-%20T%20-%20RUDMAR%20SERAFIM%20MATOS.pdf16ce46f8e89aa904108f6ac475d275eaMD51open access1884/748822024-05-09 16:17:36.487open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/74882Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-05-09T19:17:36Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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