Modelagem, simulação e validação experimental da transferência de calor em trocadores de calor de tubos concêntrico

Abstract

Resumo : A transferência de calor é importante em diversos processos. Muitos destes fazem utilização de trocador de calor para promover a troca térmica entre fluidos. A modelagem matemática, junto a simulação computacional, pode auxiliar na otimização de processos industriais, pois simula processos reais no ambiente virtual. O presente trabalho teve como objetivo modelar matematicamente a transferência de calor em trocadores de calor de tubos concêntricos, simular e validar condições de operação para obter informações de efetividades, coeficientes globais de transferência de calor e perdas térmicas. Neste trabalho usou­se Arduíno UNO, software de fonte aberta (open source), junto a sensores para quantificação de dados. Montou­se dois trocadores de calor de diâmetros diferentes, um de diâmetros maiores (cobre 3/8 (7,94 mm x 9,52 mm x 15 m) e mangueira de silicone 312 (15,8 mm x 22,2 mm x 15 m)) e outro de diâmetros menores (cobre 1/4 (4,77 mm x 6,35 mm x 15 m) e mangueira de silicone 209 (12,0 mm x 17,0 mm x 15 m)). Experimentos e simulações foram realizados para validar o trocador de calor de tubos concêntricos de diâmetrosmaiores. Simulações foram realizadas para 28 condições operacionais, sendo alterada a cada teste as vazões dos fluidos quente e frio, sendo testados nos níveis de 2,7, 3,0, 3,5, 4,0 L/min para o fluido quente e 1,5, 2,5, 2,7, 3,0, 3,5, 4,0 e 4,5 L/min para o fluido frio. As efetividades teóricas variaram entre 79,1% e 98,5%, enquanto as efetividades experimentais variaram entre 74,4% e 97,9%. Efetividades teóricas foram sempre maiores que as experimentais ao longo dos testes realizados devido as perdas térmicas no trocador de calor por convecção. Os coeficientes globais de transferência de calor apresentaram erros relativos que variam de 14% a 49%, isto porque este é influenciado pela diferença de temperatura média logarítmica, área e taxa de transferência de calor, sendo evidenciado que qualquer mudança no arranjo helicoidal do trocador de calor pode interferir no coeficiente global de transferência de calor experimental. As perdas térmicas, em sua maioria, foram baixas, variando de 0,4% a 14,6%. Alto coeficiente global não representa, necessariamente, alta efetividade. Nas simulações teóricas, o maior coeficiente global de transferência de calor foi 2.489 W/m².°C com relação a efetividade de 83,5%, enquanto na validação experimental o maior coeficiente global de transferência de calor foi 1.866 W/m².°C com relação a efetividade de 81,7%. Deste modo, os experimentos validaram as condições simuladas de transferência de calor no trocador de calor de tubos concêntricos de maiores diâmetros montado em escala laboratorial.