Modelagem matemática e simulação em tempo real de um trocador de calor regenerador

Abstract

Resumo: Devido a considerações econômicas e ambientais, sistemas de refrigeração supridos com fontes de calor renováveis receberam um novo enfoque. A indústria internacional de refrigeração tem realizado grandes investimentos em pesquisas nessa direção. Plataformas e refinarias de petróleo são locais onde existe abundância de emissões quentes. Um sistema de refrigeração por absorção ou com ejetor adequadamente dimensionados poderia atender as necessidades de uma plataforma ou refinaria no tocante a refrigeração e condicionamento de ar, funcionando a partir de gases de exaustão de diversos processos, eliminando desta maneira, o consumo energéticoadicional da planta associado a esses sistemas. Este trabalho apresenta um modelo computacional geral para regeneradores que são alimentados com o escoamento de fluidos quentes de um lado e com fluido refrigerante do outro, sendo que este último muda de fase (vaporização). Um modelo físico simplificado, que combina correlações fundamentais e empíricas com princípios de termodinâmica clássica e transferência de calor e massa, foi desenvolvido. As equações diferenciais resultantes em trêsdimensões foram discretizadas, no espaço usando um esquema tridimensional de volumes finitos com células centradas. Conseqüentemente, a combinação do modelo físico simplificado proposto com o esquema adotado de volumes finitos para a discretização numérica das equações diferenciais é chamado de modelo de elementos de volume. O modelo foi baseado numa configuração geral de regenerador, isto é, um trocador de calor cilíndrico vertical em que o lado quente se constitui de uma matriz metálica, e o lado frio é composto de dois tubos concêntricos. O refrigerante entra na fase líquida no tubo mais interno e sofre mudança de fase conforme segue oescoamento. A fração de refrigerante que não se vaporizou realiza o processo de recirculação e volta pela casca cilíndrica. As interações de energia e massa relevantes para o processo de mudança de fase são levadas em consideração, e a taxa de vaporização é computada e usada para avaliação da eficiência do processo. Os perfis de temperatura e a localização da região de vaporização são computados. O modelo proposto foi usado para simular numericamente o comportamento do regenerador operando em diferentes condições de operação e projeto. Refinamentos da malha foram realizados para garantir a convergência dos resultados numéricos. Mostra-se que a metodologia proposta permite a utilização de uma malha convergida esparsa para todas as simulações realizadas, conseqüentemente combinando precisão numérica com baixo tempo computacional. Assim, espera -se que o modelo possa ser uma ferramenta útil para a simulação, projeto e otimização de regeneradores para sistemas de refrigeração alimentados por uma fonte de calor.

Abstract: Economic and environmental considerations brought a new point of view aboutrefrigeration supplied by renewable heat sources. The international refrigeration industry has been investing considerable resources in that direction. There is a great amount of hot gases in platforms and refineries of oil. An absorption system or ejector cooling system designed adequately could supply the requirement of platform or refinery in regard to refrigeration and air conditioning. This paper introduces a general computational model for regenerators fed by a hot fluid stream on one side, whereas the other side is a fluid mixture, in which one of the components (refrigerant) undergoes a change of phase (vaporizes). A simplified physical model, which combines fundamental and empirical correlations, and principles of classical thermodynamics, mass and heat transfer, isdeveloped and the resulting three-dimensional differential equations are discretized in space using a three-dimensional cell centered finite volume scheme. Therefore, thecombination of the proposed simplified physical model with the adopted finite volume scheme for the numerical discretization of the differential equations is called volume element model. The model was based upon a general configuration of a regenerator, i.e., a vertical cylindrical heat exchanger where the external "hot" side is a metallic matrix and the internal "cold" side is composed of two concentric tubes. A fluid, in its liquid phase, enters the core of the heat exchanger and experiences a phase change as it flows through it. The fraction of the fluid that is not vaporized is re-circulated through the inner layer of the heat exchanger. Accounting for all relevant energy and mass interactions for the phase change process, the rate of vaporization is computed and used as a measure of process efficiency. The streams temperature profiles along with the location for the onset of vaporization are computed. The proposed model was utilized to simulate numerically the behavior of the regenerator operating under different operating and design conditions. Mesh refinements were conducted to ensure the convergence of the numerical results. The proposed methodology is shown to allow a coarse converged mesh for allsimulations performed, therefore combining numerical accuracy with low computational time. As a result, the model is expected to be a useful tool for simulation, design, and optimization of regenerators for heat driven refrigerators.