Modelação térmica e hidrodinâmica de escoamentos em permutadores de calor

Abstract

Neste trabalho é feita a análise térmica e hidrodinâmica a três permutadores de calor distintos, recorrendo a ferramentas analíticas convencionais e ao software de simulação CFD, ANSYS FLUENT. De forma a introduzir a temática de permutadores de calor e respetivas metodologias de cálculo, é feita uma abordagem a vários tipos de permutadores de calor e suas aplicações. Passando também pelas características que os definem e balanço de energia. É feito também um estudo sobre trabalhos desenvolvidos por outros autores em casos semelhantes, de forma a que seja possível estabelecer sempre uma comparação com resultados previamente desenvolvidos. O primeiro permutador analisado é um permutador com parede isotérmica. A análise deste primeiro permutador, apesar de incluir um só fluido, é importante pelo facto de possuir uma solução analítica, e assim, é uma boa referência para comparação dos resultados obtidos com o FLUENT. O segundo permutador analisado trata-se de um permutador de tubos concêntricos, este permutador já inclui dois escoamentos distintos que interagem termicamente entre si e possibilita assim, o teste de diferentes configurações de fluxo. A terceira análise foi feita a um permutador de tubos e camisa, o estudo deste permutador é de grande interesse, pelo facto de representar cerca de 50% do mercado de permutadores. Além disso envolve um grau de complexidade do escoamento muito superior em relação aos dois primeiros estudos. Por esse motivo a analise CFD torna-se mais interessante neste caso por permitir visualizar determinados comportamentos térmicos e hidrodinâmicos indetetáveis com uma análise convencional. Os resultados obtidos foram muito próximos com ambas as metodologias no primeiro permutador analisado. No segundo e terceiro permutador houve uma maior divergência de resultados. Mas ainda assim os desvios apresentam-se dentro da gama de resultados obtidos por outros autores. Neste trabalho as metodologias analíticas convencionais demonstram ser muito úteis na previsão rápida e genérica do comportamento térmico e hidrodinâmico de um permutador. No entanto além de as simulações terem resultados próximos, apresentam uma solução com um nível de detalhe muito superior.

In this work is made hydrodynamic and thermal analysis at three different heat exchangers, using conventional analytical tools and the CFD simulation software, ANSYS FLUENT. In order to introduce the theme of heat exchangers and respective calculation methods, an approach is made to various kinds of heat exchangers and their applications. Passing also by the characteristics that define them and energy balance. It is made a study on the work of other authors in other similar cases, so that it is always possible to establish a comparison with those previously developed studies. The first analyzed situation is an heat exchanger with isothermal wall. The analysis of this first exchanger, despite including only one fluid, is important because it has an analytical solution, and thus is a good reference for comparison of results obtained with the FLUENT. The second heat exchanger analyzed is a double pipe heat exchanger, this heat exchanger includes two different flows thermally interacting with each other and thus allows the testing of different flow configurations. The third analysis is made to a shell and tube heat exchanger, the study of this exchanger is of great interest, because it represent approximately 50% of the heat exchanger's market. Moreover involves a degree of complexity of flow much higher than in the first two studies. Therefore the CFD analysis becomes more interesting in this case allowing the viewing of certain thermal and hydrodynamic behaviors undetectable with a conventional analysis. The results obtained were very similar with both methodologies in the first heat exchanger analyzed. In the second and third exchanger was greater divergence of results. But still the deviations are presented within the range of the work of other authors. In this work the conventional analytical methods prove to be very useful in predicting fast and generically hydrodynamic and thermal behavior of a heat exchanger. Even when the simulations have similar results with the analytical method, the solution showed a much higher level of detail.