Influência da Modelagem da Água em um Trocador de Calor

Este artigo é uma continuação do artigo passado, Modelagem de Trocador de Calor de Tubos Concêntricos. No artigo passado, a água do trocador de calor teve suas propriedades consideradas constantes a 20°C. Esta consideração simplifica bastante o problema do ponto de vista numérico, mas aumenta os erros na solução. Neste artigo, será considerado um modelo não-linear da água, em que suas propriedades, como densidade ou viscosidade, variam com a temperatura.

 

5.5  Água com Propriedades Não-Lineares

Foram observados os seguintes dados no domínio, após a consideração das propriedades variando com a temperatura:

Variável

Tubo Interno

Tubo Externo

Mínimo

Médio

Máximo

Mínimo

Médio

Máximo

Temperatura (°C)

95,77

120,48

140,00

20,00

36,96

69,68

Densidade (kg/m³)

925,98

942,42

961,36

977,96

992,86

998,20

Viscosidade (µPa.s)

196,50

232,97

294,83

405,87

719,13

1.003,36

Calor Específico (J/kg.K)

4.211

4.249

4.287

4.179

4.180

4.188

Condutividade (W/mK)

0,678

0,683

0,684

0,598

0,625

0,663

Tabela 3 – Valores mínimos, médios e máximos encontrados nos tubos interno e externo

5.5.1  Correção no Desempenho

Após a consideração da água com propriedades variáveis com a temperatura, a nova troca térmica calculada foi de 196,47 kW (141,46 kJ/kg), um valor 30% maior que o calculado para a água com propriedades constantes a 20°C.

Já as temperaturas de saída foram de 46,18°C para 54,02°C (+7,84°C) para o tubo externo e de 113,48°C para 106,17°C (-7.31°C) para o tubo interno.

Por fim, as perdas de carga foram de 1.242,26 Pa para 1.179,76 Pa, com uma redução de 5% para o tubo externo, e de 816,80 Pa para 663,52 Pa, com uma redução de 20% para o tubo interno.

Desta forma, a eficiência calculada foi de 22,5% para 28,4%.

5.5.2  Contornos

As Figuras 19 e 20 mostram os contornos de Temperatura e Fluxo de Calor para a tubulação.

contorno_temperatura

Figura 19 – Contornos de Temperatura em ambos os domínios

contorno_fluxo

Figura 20 – Contornos de Temperatura em ambos os domínios

Já as Figuras 21 e 22 mostram em melhores detalhes a distribuição da velociddade no trocador.

contorno_velocidade

Figura 21 – Contornos de Velocidade em ambos os domínios

vetores_velocidade

Figura 22 – Vetores de Velocidade em ambos os domínios

Por fim, as Figuras 23, 24, 25 e 26 mostram as variações não-lineares das propriedades da água no domínio.

contorno_densidade

Figura 23 – Contornos de Densidade em ambos os domínios

contorno_viscosidade

Figura 24 – Contornos de Viscosidade em ambos os domínios

contorno_calor_especifico

Figura 25 – Contornos de Calor Específico em ambos os domínios

contorno_condutividade_termica

Figura 26 – Contornos de Condutividade Térmica em ambos os domínios

6  Conclusão

Inicialmente, foi possível utilizar a teoria de escoamentos turbulentos para estimar tamanhos relevantes da malha, e confirmar sua qualidade e precisão através de um teste de convergência.

Neste projeto também foi possível aplicar a teoria de Transferência de Calor para realizar estimativas, compreender melhor o escoamento através dos números adimensionais, bem como a teoria de trocadores de calor, para estimar a eficiência do equipamento.

Finalmente, foi possível observar a importância da modelagem correta do material, quando ao substituir a água com propriedades constantes a 20°C pela água real, que varia suas propriedades com a temperatura, a variação no calor trocado foi de 30%, alterando a eficiência do equipamento de 22,5% para 28,4%.

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