Título: ANÁLISE EXPERIMENTAL E NUMÉRICA VIA CFD DE UM TROCADOR DE CALOR CASCO-TUBO
Autoria de: Gabriela de Brito Pereira
Orientação de: Irineu Petri Junior
Presidente da banca: Irineu Petri Júnior
Primeiro membro da banca: Suellen Mendonça Nascimento
Segundo membro da banca: Tiago Jose Pires de Oliveira
Palavras-chaves: Trocador de calor, Fluidodinâmica computacional, Simulação numérica, DTML, Efetividade NUT
Data da defesa: 03/08/2020
Semestre letivo da defesa: 2020-1
Data da versão final: 01/09/2020
Data da publicação: 01/09/2020
Referência: Pereira, G. d. B. ANÁLISE EXPERIMENTAL E NUMÉRICA VIA CFD DE UM TROCADOR DE CALOR CASCO-TUBO. 2020. 74 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química Bacharelado)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2020.
Resumo: Os trocadores de calor são equipamentos nos quais há transferência de calor entre fluidos que se encontram a diferentes temperaturas. Existem diversos tipos de configurações de trocadores de calor e sua escolha irá depender de fatores como as características do fluido, requisitos do processo, condições operacionais e custos. Os trocadores de calor do tipo casco e tubo são os mais utilizados em processos da indústria e seu estudo pode ser feito analiticamente ou por meio de métodos numéricos. A simulação computacional via fluidodinâmica computacional (CFD) é largamente utilizada na resolução de problemas complexos como o caso do trocador de calor casco e tubo, que envolvem a existência de interfaces entre superfícies e fluidos. Este trabalho tem como objetivos a construção de um protótipo de um trocador de calor casco e tubo com passe único, realização de experimentos nessa unidade e a comparação dos resultados encontrados experimentalmente com resultados obtidos através de simulações numéricas, considerando modelos de escoamento laminar, turbulento, contracorrente e concorrente. A construção da geometria, malha e a simulação foram feitas utilizando o pacote estudantil Ansys e a partir disso foram coletadas as temperaturas de saída dos fluidos frio e quente, taxa de transferência de calor, contornos de temperatura e fluxo de calor e vetores de velocidade. Foi feita uma comparação entre as simulações e resultados encontrados pelos métodos da diferença de temperatura média logarítmica e efetividade NUT. A geometria construída apresenta interfaces entre os tubos e fluidos, dificultando a definição de condições de contorno e sua simulação. Devido ao mau posicionamento dos bocais de alimentação no casco foi possível notar a formação de zonas mortas e de recirculação de fluido. Os resultados experimentais e numéricos apresentaram diferenças resultantes de problemas na construção do protótipo e da imprecisão do cálculo do coeficiente global de transferência de calor, mas ao utilizar o método da efetividade NUT as variações foram menores. As simulações com modelo laminar apresentaram resultados coerentes, dispensando a utilização de modelos complexos de turbulência e ao comparar escoamento contracorrente e concorrente a diferença foi pequena, mas as taxas de transferência de calor foram maiores para o escoamento contracorrente.
Abstract: Heat exchangers are equipment used for transferring heat between fluids that are at different temperatures. There are many different configurations for heat exchangers, and selecting one will depend on factors such as, fluid characteristics, process requirements, operational conditions and costs. The most widely used heat exchanger in the industry is the shell and tube configuration, and its study can be made analytically or through numerical methods. The computer fluid dynamics (CFD) is largely used for the resolution of complex problems such as the shell and tube heat exchanger, since it involves the interfaces of surfaces and fluids. This work has the objective to construct a shell and tube single pass heat exchanger prototype, to perform experiments with the equipment, and to compare the experimental results with results obtained through numerical simulations, contemplating the laminar and turbulent flow models, as well as the concurrent and countercurrent configurations. The geometry, mesh and simulation configuration were executed through the ANSYS student software package. The outlet temperatures of the cold and hot fluids were measured, as well as the heat transfer rate, and contours for the heat flux, temperature and velocity vector. A comparison was made with the simulations and the results obtained by the logarithmic mean temperature difference and the effectiveness-NUT. The geometry built presented interfaces between tubes and fluids, which complicated the configuration of the boundary conditions and simulation. Due to bad positioning of the feed openings into the shell, dead zones and fluid recirculation zones were detected. The experimental and numerical results presented differences due to problems during the construction of the prototype and the imprecision associated with the global heat transfer coefficient calculation. However, by utilizing the NUT method, the imprecision was reduced. The laminar flow model simulations presented coherent results, and so the use of the complex turbulent models was not necessary. Comparisons between the concurrent and countercurrent configurations revealed only a small difference in results, while the heat transfer rate was considerably higher for the countercurrent flow.
URI: sip.prg.ufla.br/publico/trabalhos_conclusao_curso/acessar_tcc_por_curso/
engenharia_quimica/20201201511078
URI alternaviva: repositorio.ufla.br/handle/1/44922
Curso: G033 - ENGENHARIA QUÍMICA (BACHARELADO)
Nome da editora: Universidade Federal de Lavras
Sigla da editora: UFLA
País da editora: Brasil
Gênero textual: Trabalho de Conclusão de Curso
Nome da língua do conteúdo: Português
Código da língua do conteúdo: por
Licença de acesso: Acesso aberto
Nome da licença: Licença do Repositório Institucional da Universidade Federal de Lavras
URI da licença: repositorio.ufla.br
Termos da licença: Acesso aos termos da licença em repositorio.ufla.br
Detentores dos direitos autorais: Gabriela de Brito Pereira e Universidade Federal de Lavras
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