Investigação experimental e numérica de um descritor invariante para o resfriamento conjugado de aquecedores protuberantes sob escoamento paralelo em um duto retangular

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Plácido, Paulo Vitor Ribeiro, 1992-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640722
Resumo: Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani
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spelling Investigação experimental e numérica de um descritor invariante para o resfriamento conjugado de aquecedores protuberantes sob escoamento paralelo em um duto retangularExperimental and numerical investigation of an invariant descriptor for the conjugate cooling of protruding heaters under parallel flow in a rectangular ductCalor - TransmissãoCalor - Coeficiente de transferenciaMétodo de simulaçãoSimulação (Computadores)Heat - TransferenceHeat - Transfer coefficientSimulation methodSimulation (Computer)Orientador: Carlos Alberto Carrasco AltemaniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Nesta pesquisa foi realizada uma investigação experimental e numérica da transferência de calor conjugada de quatro aquecedores protuberantes discretos montados na parede inferior (substrato) de um duto retangular. Valores distintos de potência elétrica foram dissipados em resistências embutidas nos aquecedores fabricados em alumínio, que foram resfriados em regime permanente através de escoamento forçado de ar no duto. Foi considerada a perda de energia térmica dos aquecedores por convecção nas suas superfícies expostas ao escoamento e por condução para a placa de substrato onde estes estavam montados. Parte do calor conduzido pela placa de substrato era por sua vez transferido por convecção de volta para o escoamento de ar no duto porque a face inferior do substrato era termicamente isolada. Os testes experimentais foram realizados em duas montagens semelhantes com dois substratos distintos, um de acrílico e outro de alumínio. O processo de transferência de calor conjugada em cada montagem com um tipo de substrato foi avaliado através de coeficientes conjugados adimensionais ($g^+_{ni}$), que compõem uma matriz quadrada ($G^+$), e foram obtidos por meio de testes experimentais realizados com apenas um aquecedor ativo por vez em cada teste. Já a avaliação do processo de transferência de calor convectiva na montagem com substrato de acrílico foi feita através de outro descritor invariante chamado de número de Nusselt adiabático ($Nu_{ad}$). A faixa do número de Reynolds do escoamento no duto durante os testes experimentais ficou entre 2000 e 6100. Os resultados dos efeitos da transferência de calor conjugada nas duas configurações de substrato para o resfriamento dos aquecedores foram comparados entre si por meio dos coeficientes conjugados. % e do número de Nusselt adiabático. Testes experimentais adicionais foram realizados com dois ou três aquecedores ativos por vez, visando comparar as temperaturas medidas experimentalmente nesses testes, com as suas temperaturas previstas através da matriz quadrada ($G^+$). Os resultados experimentais indicaram boa concordância das temperaturas medidas nos testes adicionais com as temperaturas previstas pela matriz de coeficientes conjugados com desvio quadrático médio menor que 0,3$^\circ$ e evidenciaram a propriedade de superposição e a invariância dos coeficientes conjugados com a taxa de transferência de calor conjugada dos aquecedores. As simulações numéricas do escoamento e da transferência de calor foram efetuadas com o pacote computacional PHOENICS em um domínio tridimensional semelhante à montagem experimental. Os resultados obtidos nessas simulações numéricas reproduziram bem os resultados das medidas experimentais e mostraram que o erro relativo máximo foi menor que 6\% para os coeficientes conjugados de auto aquecimento em ambos os substratosAbstract: In this research, an experimental and numerical investigation of the conjugated heat transfer of four discrete protruding heaters mounted on the bottom wall (substrate) of a rectangular duct was performed. Different values of electric power were dissipated in resistances built into the heaters made of aluminum, which were permanently cooled through forced airflow in the duct. The loss of thermal energy from the heaters was considered by convection on their exposed surfaces to the airflow and by conduction to the substrate plate where they were mounted. Part of the heat conducted by the substrate plate was in turn transferred by convection back to the airflow in the duct because the lower face of the substrate was considered thermally insulated. Experimental tests were performed on two similar assemblies with two different substrates, one of Plexiglas and one of Aluminum. The process of conjugated heat transfer in each assembly with a type of substrate was evaluated using adimensional conjugated coefficients ($g^+_{ni}$), which make up a square matrix ($G^+$), and were obtained through experimental tests carried out with only one active heater at a time in each test. The evaluation of the process of convective heat transfer in the assembly with Plexiglas substrate was made through another invariant descriptor called adiabatic Nusselt number ($Nu_{ad}$). The range of Reynolds' number from flow in the duct during experimental tests was between 2000 and 6100. The results of the effects of conjugated heat transfer on the two substrate configurations for cooling the heaters were compared with each other utilizing the conjugate coefficients. Additional experimental tests were performed with two or three active heaters at a time to compare the temperatures measured experimentally in these tests with their predicted temperatures through the square matrix ($G^+$). The experimental results indicated good agreement of the measured temperatures in the additional tests with the predicted temperatures by the matrix of conjugated coefficients, with a mean quadratic deviation of less than 0.3$^{\circ}$C, and evidenced the property of superposition and invariance of the conjugated coefficients with the heat transfer rate of the heaters. The numerical simulations of flow and heat transfer were performed with the PHOENICS computational package in a three-dimensional domain similar to experimental assembly. The results obtained in these numerical simulations reproduced well the results of the experimental measurements and showed that the maximum relative error was less than 6\% for the self-heating conjugate coefficients for both substratesMestradoTérmica e FluídosMestre em Engenharia MecânicaCAPES88882.435226/2019-01[s.n.]Altemani, Carlos Alberto Carrasco, 1948-Santos, Rogério Gonçalves dosAndrade, Claudia Regina deUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASPlácido, Paulo Vitor Ribeiro, 1992-20202020-10-30T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online ( 120 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640722PLÁCIDO, Paulo Vitor Ribeiro. Investigação experimental e numérica de um descritor invariante para o resfriamento conjugado de aquecedores protuberantes sob escoamento paralelo em um duto retangular . 2020. 1 recurso online ( 120 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica , Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640722. 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