Simulação computacional da transferência de calor no escoamento anular de água aquecida por trocador de calor de leito fluidizado borbulhante

• Autor(a) principal: Paes, Renato Marcon
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/16311
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA; Simulação (Computadores); Meios de transferência de calor; Fluidização; Gás - Escoamento; Computer simulation; Heat-transfer media; Fluidization; Gas flow

Leitos fluidizados são utilizados nas mais diversas aplicações, dentre estas, na secagem de sólidos, no revestimento de partículas, na quebra catalítica e também para a recuperação de energia térmica. O comportamento de um sistema gás-sólido assemelha-se ao de um fluido, e a transferência de calor entre o leito e um objeto em contato é expressivamente maior quando comparada com o mesmo sistema na ausência das partículas sólidas. Neste trabalho são comparados, a partir de condições de contorno reais, resultados de testes experimentais da transferência de calor na região de escoamento anular de um trocador de leito fluidizado tipo jaqueta com os obtidos em simulações computacionais utilizando o aplicativo Ansys AIM Student. Resultados de dezesseis testes com diferentes combinações de vazão mássica de líquido, temperatura do leito e coeficiente convectivo suspensão-parede foram comparados, apresentando desvios na faixa de 0,05% a 1,89% no valor da temperatura de saída da água aquecida durante a sua passagem pela região de escoamento anular do trocador de calor. O campo de temperaturas da água em contato com a parede externa do canal foi também apresentado. Aumentando a vazão mássica da simulação em dez vezes, ocorre uma diminuição de 16 °C da temperatura de saída com ganhos na taxa de transferência de calor global de 416%. Simulações realizadas variando a vazão mássica para duas condições de contorno (temperatura de parede constante e fluxo de calor constante na parede interna do leito fluidizado) demonstram as vantagens da utilização do cobre em relação ao aço como material de parede externa do trocador de calor, principalmente quando o gradiente de temperaturas entre a entrada da água e do leito, assim como o coeficiente convectivo suspensão-parede, são elevados. Para estimar a efetividade do trocador de calor em termos de uma melhor homogeneidade na distribuição do campo de temperaturas da água na região de escoamento anular, geometrias de trocador de calor contendo de duas a dez entradas e saídas foram incluídas na análise. A diminuição encontrada nos gradientes de temperatura na direção polar do escoamento com o aumento do número de entradas e saídas indica o crescimento gradativo da componente de velocidade axial sobre o da velocidade tangencial, refletindo em uma significativa melhoria na taxa de transferência de calor, especialmente em maiores vazões mássicas.