24
1 1 III WORKSHOP PROSUL GERAÇÃO DE POTÊNCIA DISTRIBUÍDA E ENERGIA AUTO-SUSTENTÁVEL ROQUE LUIZ SUTIL MAINARDES OTIMIZAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR DE TUBOS ALETADOS CIRCULARES E ELÍPTICOS EM REGIME TURBULENTO Autor: Roque Luiz Sutil Mainardes Orientador: Prof. José Viriato C. Vargas, Ph. D Co-orientador: Prof. Rudmar Serafim Matos, Doutor Co-orientador: Prof. Juan Carlos Ordonez, Ph. D Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPE

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11

1

III WORKSHOP PROSUL

GERAÇÃO DE POTÊNCIA DISTRIBUÍDA

E ENERGIA AUTO-SUSTENTÁVEL

ROQUE LUIZ SUTIL MAINARDES

OTIMIZAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR DETUBOS ALETADOS CIRCULARES E ELÍPTICOS

EM REGIME TURBULENTO

Autor: Roque Luiz Sutil MainardesOrientador: Prof. José Viriato C. Vargas, Ph. DCo-orientador: Prof. Rudmar Serafim Matos, Doutor Co-orientador: Prof. Juan Carlos Ordonez, Ph. D

Universidade Federal do Paraná

Setor de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPE

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22

3

� INTRODUÇÃO

� MODELO MATEMÁTICO

� APARATO EXPERIMENTAL

� RESULTADOS E DISCUSSÃO

� CONCLUSÕES

APRESENTAÇÃO

4

� MOTIVAÇÃO

-- Máximo aproveitamento da energia disponível ;

- Larga aplicação industrial de Trocadores de Calor;

- Limitação do espaço disponível e/ou redução de volume dos equipamentos;

- Busca por equipamentos mais eficientes para projetos de Engenharia através da otimização térmica-hidráulica.

INTRODUÇÃO

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33

5

INTRODUÇÃO

� OBJETIVOS

-- Otimização experimental de trocadores de calor em arranjos de tubos aletados, elípticos e cilíndricos para escoamento em regime turbulento, para a máxima transferência de calor e mínima potência de bombeamento(perda de carga);

- Obtenção da fração de volume de material sólido usados nos arranjos ;

- Apresentar os resultados gerais, através dos grupos adimensionais, para qualquer configuração similar às analisadas neste estudo;

- Apresentar as medições experimentais realizadas em laboratório;

- Do ponto de vista de Engenharia indicar a configuração ideal do arranjo de tubos, e

- Definir e quantificar as vantagens dos arranjos de tubos elípticos sobre os de tubos circulares.

6

REVISÃO DA LITERATURA

=> Aumento da transferência de calor

=> Possibilidade de redução do tamanho

MELHOR DESEMPENHO => Mínima potência de bombeamento (perda de carga)

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44

7

1. Geometria do tubo: (Brauer, 1964), (Webb, 1989), (Ximenes, 1981), (Rocha et al., 1997), (Jang e Yang, 1998), (Bordalo e Saboya, 1999), (Saboya e Saboya, 2001), (Webb e Iyengar,2000), (Hasan e Siren, 2004), (Hasan, 2005).

2. Espaçamento entre tubos: (Bejan e Morega, 1993), (Bejan e Sciubba, 1992), (Bejan et al., 1995), (Bar-Cohen e Rohsenow, 1984), (Kim et al., 1991), (Stanescu et al., 1996).

3. Número de fileiras de tubos: (Rich, 1975), (Rosman et al., 1984), (Jang et al., 1996), (Jang e Chen, 1997), (Rocha et al., 1997), (Wang et al., 1997), (Jang e Yang, 1998).

4. Disposição dos tubos: (Ay et al., 2002), (Kundu et al., 2006)

5. Condições ambientais dos tubos/aletas: (Jang et al., 1998), (Lin e Jang, 2002).

6. Potencial de aplicação dos tubos elípticos: (Schulemberg, 1966), (Matos, 2000), (Hasan, 2005).

REVISÃO DA LITERATURA

8

7. Geometria da aleta: (Huang e Pu, 1995), (Jang e Chen, 1997), (Kundu e Das, 1997), (Wang et al., 1997), (Yun e Lee, 1999), (Yan e Sheen, 2000), (Leu et al., 2004), (Erek et al., 2005), (Kundu et al., 2006).

8. Espaçamento entre aletas: (Rich, 1973), (Jang et al., 1996), (Mendez et al.,

2000), (Wang e Chui, 2000), (Erek et al.,2005)

9. Material da aleta: (Rocha et al., 1997).

10. Correlações: (Elsayed et al., 2003), (Khan et al., 2004), (Elshazly et al.

(2005).

REVISÃO DA LITERATURA

S : (S/2b)

ESCOLHEU PARA OTIMIZAÇÃO GLOBAL e : (b/a)

δδδδ : (φφφφf=tf/tf+δδδδ)

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55

9

O PROBLEMA FÍSICO

� ARRANJO DE TUBOS ALETADOS

OBJETIVO DA OTIMIZAÇÃO

GEOMETRIA ÓTIMA

Q (máxima troca de calor)

Restrição física (LHW volume fixo)

∆ P (minimização da perda de carga)

TROCADOR DE CALOR

10

O PROBLEMA FÍSICO

( G )

( S + 2 b )

( S / 2 + b )

,

( A )0

x

y

( E )

u

( E )

( G )

( G )

( G )

( E ) ( E )

S

( E )

( F )

( E )

↑↑→

↑∆↑→

m pW~

S S

S

p pW~

0 S

máx

ot

&

� GRAUS DE LIBERDADE GEOMÉTRICOS

0 Q U A S S

S 0 Q m A 0 S

Accmáx

ot

cec

→↓↑→→

→↓↓→ &

1. Espaçamento entre fileiras de tubos

calor de ciaTransferên

icaTermodinâm da Lei 1ª

) -(

) -(

TTA U Q

TTc m Q

bulk

sp

w=

=∞

&

&&

ρ

p m

pW

∆=

&&

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66

11

O PROBLEMA FÍSICO

� GRAUS DE LIBERDADE GEOMÉTRICOS

circulares tubos

ot

planas placas

Q Q 1 ee

Q Q 0 e

→↓→→

→↓→

2.2. Excentricidade

↑∆↑→

↑↑→

p pW~

1 e

e

m pW~

0 e

ot

&

12

O PROBLEMA FÍSICO

� GRAUS DE LIBERDADE GEOMÉTRICOS

0 Q aletas de totalSup.W δ δ

δ 0 Q m 0 δ

máx

ot

ce

→↓=→→

→↓→ &

3.3. Espaçamento entre aletas

pW~

Wδ δ

efisícament esperado

ótimo há não

pW~ 0 δ

máx↓↓↓↓====→→→→

↑↑↑↑→→→→

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77

13

O PROBLEMA FÍSICO

maxot SS0 << 1e0 ot << Wδ0 ot << → maxQ Q →

RESOLUÇÃO DO PROBLEMA FÍSICO SERÁ FEITA COM A EXPERIMENTAÇÃO DOS MÓDULOS VARIANDO OS 3 GRAUS DE LIBERDADE GEOMÉTRICOS.

maxot SS 0 << 1e0 ot << → minpW~

pW~

��

14

FOCOS DO PROBLEMA FÍSICO

� OTIMIZAÇÃO

ENCONTRAR A GEOMETRIA ÓTIMA DO ARRANJO, TAL QUE A TAXA TOTAL DA TROCA DE CALOR SEJA MAXIMIZADA;

� MINIMIZAÇÃO

OBTER A POTÊNCIA DE BOMBEAMENTO MÍNIMA, TAL QUE O CONSUMO DE ENERGIA PELO VENTILADOR SEJA MÍNIMO.

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88

15

O PROBLEMA FÍSICO

� CRITÉRIO DE COMPARAÇÃO ENTRE TUBOS DE SEÇÃO CIRCULAR E ELÍPTICA

∞u

fluxo fluxo de de ar ar uu∞

16

TEORIA

3 (S+2b)/2

(S+

2b)/

2

DISTRIBUIÇÃO TRIANGULAR EQUILATERAL PARA 4 TUBOSNA CÉLULA UNITÁRIA

��

S/2b=espaçamento entre fileiras de tubos adimensional

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99

17

O PROBLEMA FÍSICO

δL

L

tes)(Equivalen ∆P laminar 200 104 Re 8520 Re

8520Re852 (2003) Matos

2bD 1, e 0,6 0,5; 0,4; e ,sm 1u

sm 0,1

→<<→<=>

≤≤=>

==≤≤=> ∞

� MEDIÇÕES DA PERDA DE CARGA PARA OBTENÇÃO DA MÍNIMA POTÊNCIA DE BOMBEAMENTO

δ

δ

tes)(Equivalen P laminar 200 Re % 30 P 2000Re200 (1999) Saboya e Bordalo

2bD mm, 1,65 ,sm 18,2us

m 1,8

∆→<=>↓∆→≤≤=>

==δ≤≤=> ∞

δ2b

2b

veis)(Considerá P o turbulent200 eR 2650Re

TURBULENTO ESCOAMENTO 10600Re2650 TRABALHO DEFAIXA

2bD 1, e 0,6 0,5; 0,4; e ,sm 10u

sm 2,5

∆→>→>=>

≤≤=>

==≤≤=> ∞

18

O PROBLEMA FÍSICO

� MEDIÇÕES DA PERDA DE CARGA PARA OBTENÇÃO DA MÍNIMA POTÊNCIA DE BOMBEAMENTO

veis)(Considerá P o turbulenté logo

200 Re

Re 2650 Re para exemplopor como forma,

seguinte da faz seRe pelo nto turbuleescoamento para eR do obtençãoA

275 65/0,015882650x0,001b2650x/νub/x/νu

/x2b/u2b/u2b2b

2bδ

>=

==>=

==δ/2=δ∞ ⇒ 2650=δ2δ∞

=δδν∞=ν∞

δ

2b

O."BOMBEAMENT DEMÍNIMA POTÊNCIA E CALOR DECIA TRANSFERÊN DEVISTA DE

PONTO O SOB POSSÍVEL, TEISOLADAMEN MAIS O DOS,IDENTIFICA SER

PUDERAM GANHOS OS 10600,Re 2650 TRABALHO, DEFAIXA A PARA " ≤≤

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1010

19

� Hipóteses Simplificadoras

- Fluido newtoniano;

- Escoamento incompressível;

- Regime permanente;

- Escoamento turbulento e

- Propriedades constantes no fluido.

CÁLCULO DAS GRANDEZAS ADIMENSIONAIS

20

� GRUPOS ADIMENSIONAIS

CÁLCULO DAS GRANDEZAS ADIMENSIONAIS

( ) 2uρ

pP ; L

zy,x,ZY,X,∞

==

( ) ( )α

νPr ;

ν

(2b) uRe ;

TT

T Tθ ;

uwv,u,

WV,U, 2b

w

==−

−== ∞

GRUPOS ADIMENSIONAIS FORAM ESTABELECIDOS PARA QUE OS RESULTADOS SEJAM DE CARÁTER GERAL

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1111

21

CÁLCULO DAS GRANDEZAS ADIMENSIONAIS

WLH q N

WLHQq cece==&

2w

2bLHW/k )T - (T / Q q~

∞=&

) tn-(W 22b Su m ffce

+ρ= ∞&δ+

=f

f tWn

δ+==φ

f

ffff t

tW tn

) - (1 12bS RePr q~

2bH

2bL

N2q~ sf2b

2

ce*

θφ+==

�� VOLUME ADIMENSIONAL DE MATERIAL SÓLIDO

ab)n(LH ))t)(bt(a - (ab n LW

L m V

~tfttt33

s

π−φ+−−π=

ρ=

=> =>

=> =>

2up

p~∞ρ

∆=∆

) -( TTcmNQN Qspcececece ∞

== &&&

�� CONDUTÂNCIA TÉRMICA GLOBAL ADIMENSIONAL

ρ

p m

pW

∆=

&& 2

ρu

p ) - (1 1

2bS

pW~

f

∆φ+=

=> =>

� POTÊNCIA DE BOMBEAMENTO ADIMENSIONAL

22

APARATO EXPERIMENTAL

1 TÚNEL DE VENTO

3 TUBOS E ALETAS

4 RESISTÊNCIAS ELÉTRICAS

5 FONTES DE ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA

6 TERMISTORES

7 ANEMÔMETRO

8 TRANSDUTOR E MEDIDOR DE PRESSÃO

9 VENTILADOR CENTRÍFUGO

�� ASPECTO GERAL DO APARATO

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1212

23

� MÉTODOS DE TRABALHO

APARATO EXPERIMENTAL

ESTAMPAGEM DAS ALETASPARA TUBOS ELÍPTICOS

CONFORMAÇÃO DOSTUBOS ELÍPTICOS

24

� MÉTODOS DE TRABALHO

APARATO EXPERIMENTAL

MÓDULO DE TESTE PARA TUBOS ELÍPTICOS

MONTAGEM DO TROCADOR DECALOR DE TUBOS ELÍPTICOS

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1313

25

� MÉTODOS DE TRABALHO

APARATO EXPERIMENTAL

MÓDULO DE TESTE INSTRUMENTADOPARA TUBOS ELÍPTICOS

INSTALAÇÃO DASRESISTÊNCIAS ELÉTRICAS

26

APARATO EXPERIMENTAL

�� MÉTODOS DE TRABALHO

MÓDULO DE TESTE COM 8 ALETAS/POL PARA OBTENÇÃO DA PERDA DE CARGA COM OS PONTOS DE TOMADA DA PRESSÃO

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1414

27

APARATO EXPERIMENTAL

MÓDULO DE TESTE COM 0,5 ALETAS/POL PARA OBTENÇÃO DAPERDA DE CARGA COMOS PONTOS DE TOMADA DE PRESSÃO

�� MÉTODOS DE TRABALHO

28

APARATO EXPERIMENTAL

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DOS PONTOS DE MEDIÇÕES E DIMENSÕES(mm)

c o m p u t a d o r

v e n t i l a d o rm ó d u lo d e

te s t e

p

6 5 0 1 6 0

1 0 0 2 0 0 3 5 0 2 0 0 1 0 0 0 1 5 0

2 0 0 0

r é g u a d eb o r n e s

a n e m ô m e t r ot r a n s d u to r d e

p r e s s ã o d i f e r e n c ia l

r e g iã oe x t e n d id a

r e s i s tê n c iae lé t r i c a

tu b o sp l á s t i c o s

T 1 , T 2T 3

T 4 , T 5T 6 , T 7

T 8 , T 9 , T 1 0T 1 1 , T 1 2

T 1 3

f o n t e d ea l i m e n t a ç ã o

f l u x o d e a r

f o n t e d ea l im e n ta ç ã o

�� APARATO EXPERIMENTAL INSTRUMENTADO

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1515

29

Onde: é o limite de precisão intrínseco dos medidores, que é insignificante comparado com o limite de precisão de e

APARATO EXPERIMENTAL

s

s

*

*q~ P

q~U

θ= θ 075,0q~/U

**q~ ≤

∞∞

θ

−=

−=≅

+

=

TTTT

PTT

σ2

θ

P

q~B

q~P

s

2/12

*

q~

2

*

q~

*

*q~

s**

q~

U

é o limite de precisão des

Pθ*

q~

*q~B

Para o cálculo das incertezas foi utilizada a equação preconizada pela ASME (Editorial, 1993):

), ,=∞

θ2b

S e,,f(uq~

f*φ

TT

T Tθ

w ∞

−=

Foi utilizada a temperatura adimensional baseada nas temperaturas do ambiente e da parede dos tubos, onde:

T é a temperatura a ser adquirida através da coleta experimental

σ: desviopadrão de 5

rodadas

� CÁLCULO DAS INCERTEZAS

30

PROCEDIMENTO DE OTIMIZAÇÃO

0,25

e =1

e =0,5

e =0,6

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

e =1

e =0,5

e =0,6

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

e =1

e =0,5

e =0,6

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

φφφφf =0,006

φφφφf =0,094φφφφf =0,26

0,5 1,5

S/2b

Para cada Re2b

27 rodadas x 5 leituras x 2 grandezas = 270

270 x 4 Re2b = 1080 leituras

q*, mmm; mp,W~

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1616

31

RESULTADOS E DISCUSSÃO

� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO PARA O ESPAÇAMENTO ENTRE TUBOS PARA

ARRANJOS ALETADOS (e = 1) e (e = 0,5) (e = 0,6)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0.4 0.8 1.2 1.6

S/2b

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72e = 1.0

006.0f =φ

*q~

2650

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 0.4 0.8 1.2 1.6S/2b

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72

e = 0.5

006.0f =φ

*q~

2650

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0.4 0.8 1.2 1.6

S/2b

10600 = Re2b

7950

5300

L/2b = 8.52Pr = 0.72e = 0.6

006.0f =φ

*q~

2650

32

RESULTADOS E DISCUSSÃO

� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO COM RELAÇÃO AO ESPAÇAMENTO

E EXCENTRICIDADE DE ARRANJOS ALETADOS

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1e

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72

006.0f =φ

2650

m*,q~

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1717

33

RESULTADOS E DISCUSSÃO

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 0.1 0.2 0.3

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72

2650

φf

mm*,q~

e = 1

� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 0.1 0.2 0.3

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72

2650

φf

mmm*,q~

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO PARA ARRANJOS ELÍPTICOS ALETADOS COM OS TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ÓTIMOS

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO PARA ARRANJOS CIRCULARES ALETADOS COM DOIS GRAUS DE LIBERDADE ÓTIMOS

34

�� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

RESULTADOS E DISCUSSÃO

MAXIMIZAÇÃO ADIMENSIONAL COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ÓTIMOSCOM RESPEITO AO R2b

�CORRELAÇÃO PROPOSTA PARA ESTIMAR A TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR TOTAL MAXIMIZADA COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ÓTIMOS

q*, mm=1299,5 + 0,47003Re2b + 0,000034064Re2b2 , R = 0,9905

R: coeficiente de correlação estatístico

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2000 4000 6000 8000 10000 12000

Re2b

mmm,*q~

L/2b = 8.52

Pr = 0.72

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1818

35

RESULTADOS E DISCUSSÃO

34

38

42

46

50

54

58

0 0.4 0.8 1.2 1.6S/2b

Re2b

= 7950

Pr = 0.72

e = 0.5

006.0f =φ

e = 1.0∆ p

�� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO PARA O ESPAÇAMENTO ENTRE TUBOS

PARA ARRANJOS ALETADOS (e = 0,5 e e= 1,0)

14

18

22

26

30

34

0 0.4 0.8 1.2 1.6

S/2b

Re2b

= 2650

Pr = 0.72

e = 0.5

006.0f =φ

e = 1.0∆ p

36

RESULTADOS E DISCUSSÃO

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5S/2b

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72e = 0.6

006.0f =φ2650

Wp~

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

S/2b

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72e = 1.0

006.0f =φ2650

Wp~

�� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO PRIMEIRO MODO DE OTIMIZAÇÃO PARA ARRANJOS

ALETADOS COM RELAÇÃO AO ESPAÇAMENTO ENTRE TUBOS (e = 1), (e=0,5) e (e=0,6)

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5S/2b

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72e = 0.5

006.0f =φ

2650

Wp~

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1919

37

RESULTADOS E DISCUSSÃO

�� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO COM RELAÇÃO AO ESPAÇAMENTO E A

EXCENTRICIDADE DE ARRANJOS ALETADOS

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.2 0.4 0.6 0.8 1e

10600 = Re2b

7950

5300

Pr = 0.72

006.0f =φ

2650

Wp,m~

38

RESULTADOS E DISCUSSÃO

RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE OTIMIZAÇÃO PARA ARRANJOS ALETADOS COM

OS TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ÓTIMOS

0

0.6

1.2

1.8

2.4

3

0 0.1 0.2 0.3

1.0 = e

Pr = 0.72

0.5 = e

φf

10600= Re2b

mp,W~

�� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

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2020

39

RESULTADOS E DISCUSSÃO

�� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

MAXIMIZAÇÃO ADIMENSIONAL COM DOIS GRAUS DE

LIBERDADE ÓTIMOS COM RESPEITO AO R2b

0

1

2

3

2000 4000 6000 8000 10000 12000

Re 2 b

Pr =0.72

m p, W ~

� CORRELAÇÃO PROPOSTA PARA ESTIMAR A POTÊNCIA DE BOMBEAMENTO DO VENTILADOR COM DOIS GRAUS DE LIBERDADE ÓTIMOS

q*, mm= 0,9 + 0,4151x10-6Re2b + 2,136x10-9Re2b2 R = 0,9926

R: coeficiente de correlação estatístico

40

RESULTADOS E DISCUSSÃO

� RESULTADOS DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL

FRAÇÃO DE VOLUME SÓLIDO TOTAL DOS ARRANJOS COM RELAÇÃO A EXCENTRICIDADE E

ESPAÇAMENTO ENTRE ALETAS

0

0.1

0.2

0.3

0.4 0.6 0.8 1e

V~

26.0f =φ

0.094

0.006

Critério D=2b

Critério de mesmo perímetro

Estes resultados justificam o uso do critério de comparação utilizado: D=2b

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2121

41

CONCLUSÕES E PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO DO TRABALHO

� AS CONCLUSÕES CHAVES PARA ESTE TRABALHO ESTÃO LISTADAS COMO SEGUE:

1. Um ótimo para os parâmetros geométricos foi determinado experimentalmente tal que foi maximizado três vezes, isto é, (S/2b, e, Øf)ot≈ (0,5; 0,6; 0,094), onde a taxa de transferência de calor adimensional maximizada foi obtida;

2. O arranjo elíptico otimizado três vezes exibe um ganho de transferência de calor de até 23% com relação ao ótimo do arranjo com tubos circulares otimizado duas vezes;

3. Uma correlação analítica compacta foi proposta para uma real estimativa para a taxa de transferência de calor maximizada três vezes em um projeto de trocadores de calor com tubos elípticos do tipo estudado no presente trabalho;

4. Para a configuração elíptica otimizada três vezes, com , Øf,ot=0,094, a fração de volume do material sólido do arranjo elíptico é praticamente a mesma como a do circular;

*q~

42

CONCLUSÕES E PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO DO TRABALHO

5. Um ótimo para os parâmetros geométricos foi determinado experimentalmente tal que foi minimizada duas vezes, isto é, (S/2b, e)ot≈ (0,5; 0,5), onde a potência de bombeamento mínima adimensional foi obtida;

6. O arranjo elíptico otimizado duas vezes exibe uma redução da potência de bombeamento de mais de 8% com relação ao ótimo para o arranjo com tubos circulares otimizado duas vezes;

7. O ótimo para transferência de calor máxima éaproximadamente o mesmo para a potência de bombeamento mínima, a menos da excentricidade que para Re2b= 10600 éigual;

8. O ganho da transferência de calor, a redução da perda de carga, e uma quantidade similar de material para fabricação de ambos os arranjos mostra que o arranjo otimizado para tubos elípticos tem o potencial de fornecer significativamente maior performance global do que o arranjo circular, com um investimento similar.

pW~

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2222

43

CONCLUSÕES E PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO DO TRABALHO

V~

ótimocircular arranjo

% 23 q~

ótimo elíptico arranjo

Re Altos pcirW~

8% pelW~

*

2b ⇒≅

↑=> ↓

V~

ótimocircular arranjo% 19 q~

ótimo elíptico arranjo

2003) (Matos,Re Baixos pcirW~

pelW~

*2b ⇒≅↑=> ≅

44

� OTIMIZAÇÃO GLOBAL PARA REGIME TURBULENTO;

� RESULTADOS ADIMENSIONALIZADOS;

� APLICABILIDADE PRÁTICA DOS RESULTADOS;

CONCLUSÕES E PROPOSTA DE CONTINUACONCLUSÕES E PROPOSTA DE CONTINUAÇÇÃO DO ÃO DO TRABALHOTRABALHO

� CONCLUSÕES

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2323

45

CONCLUSÕES E PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO DO TRABALHO

�UTILIZAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS OBTIDOS NESTA TESE PARA VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS NUMÉRICOS DE UMA MODELAGEM MATEMÁTICA DOS MESMOS ARRANJOS EM CONVEÇÃO FORÇADA EM REGIME TURBULENTO;

�USAR ÁGUA QUENTE AO INVÉS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA PARA UMA MAIOR UNIFORMIDADE DO FLUXO DE CALOR NA SUPERFÍCIE DOS TUBOS;

�TRABALHAR COM DENSIDADE DE ALETAS INTERMEDIÁRIAS PARA AUMENTAR NÚMERO DE PONTOS DA ANÁLISE.

� SUGESTÕES

46

AGRADECIMENTOS

Prof. José Viriato C. Vargas, Ph. D

Prof. Rudmar Serafim Matos, Doutor

Prof. Juan Carlos Ordonez, Ph. D

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2424

OTIMIZAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR DE TUBOS ALETADOS CIRCULARES E ELÍPTICOS

EM REGIME TURBULENTO

Autor: Roque Luiz Sutil Mainardes

Orientador: Prof. José Viriato C. Vargas, Ph. D

Co-orientador: Prof. Rudmar Serafim Matos, Doutor

Co-orientador: Prof. Juan Carlos Ordonez, Ph. D

Universidade Federal do Paraná

Setor de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPE