Otimização teórico-numérica e comparação de desempenho de trocadores de calor de tubos circulares e elípticos não aletados em convecção forçada

Abstract

Resumo: Neste estudo, foi realizada uma análise da transferência de calor em trocadores de calor de tubos circulares e elípticos, em duas dimensões. O método de elementos finitos foi utilizado para discretizar as equações governantes do escoamento e da transferência de calor, e um elemento bidimensional, isoparamétrico, quadrilateral com funções de interpolação linear, foi implementado e agregado ao código FEAP (Zienkiewicz e Taylor, 1989). Os resultados numéricos, para uma configuração de arranjo triangular eqüilateral, obtidos com o novo elemento foram então validados, via comparação direta com os resultados experimentais previamente publicados para trocadores de calor de tubos circulares (Stanescu et al., 1996). A seguir, uma otimização numérica da geometria foi conduzida para maximizar a taxa total de transferência de calor entre o volume dado e o escoamento externo tanto para arranjos circulares como elípticos, para várias configurações gerais. Os resultados são apresentados para ar na faixa de 300 < ReL< 800, onde L é o comprimento varrido do volume fixado. Arranjos circulares e elípticos com a mesma área de obstrução na direção do escoamento livre foram comparados com base na transferência total de calor máxima. O efeito da excentricidade das elipses também foi investigado. Um ganho relativo na transferência de calor de até 13 % é observado no arranjo elíptico ótimo, em comparação ao arranjo circular ótimo. O ganho de transferência de calor, combinado com a redução em perda de carga de até 25 % observada em estudos anteriores (Brauer, 1964; Bordalo e Saboya, 1995) mostram que arranjos de tubos elípticos têm potencial para um desempenho consideravelmente melhor do que os convencionais circulares

Abstract: In this study, a two-dimensional (2-D) heat transfer analysis was performed in circular and elliptic tube heat exchangers. The fínite element method was used to discretize the fluid flow and heat transfer goveming equations and a 2-D isoparametric, four-noded, linear element was implemented for the finite element analysis program FEAP (Zienkiewicz and Taylor, 1989). The numerical results for the equilateral triangle staggering configuration, obtained with the new element were then validated by means of direct comparison to previously published experimental results for circular tubes heat exchangers (Stanescu et al, 1996). Next, a numerical geometric optimization was conducted to maximize the total heat transfer rate between the given volume and the given externai flow both for circular and elliptic arrangements, for general staggering configurations. The results are reported for air in the range 300 < ReL á 800, where L is the swept length of the fíxed volume. Circular and elliptical arrangements with the same flow obstruction area were compared on the basis of maximum total heat transfer. The effect of ellipses eccentricity was also investigated. A relative heat transfer gain of up to 13 % is observed in the optimal elliptical arrangement, as compared to the optimal circular one. The heat transfer gain, combined with the relative pressure drop reduction of up to 25 % observed in previous studies (Brauer, 1964; Bordalo and Saboya, 1995), shows the elliptical arrangement has the potential for a considerably better overall performance than the conventional circular one