This research comprises an experimental and theoretical study on convective boiling inside tubes containing twisted-tape inserts. The demand for more compact and efficient thermal systems, in which the heat exchangers plays an important role, has led to the development and use of various heat transfer enhancement techniques. Among them twisted-tape insert as a swirl flow device is one of the most used. Twisted-tape inserts have been used for over more than one century ago as a technique of heat transfer enhancement applied to heat exchangers. However, the heat transfer augmentation comes together with pressure drop increment, impacting the pumping power and, consequently, the system efficiency. Moreover, until now it is not clear, the operational conditions under which the heat transfer coefficient augmentation by the use of twisted-tape inserts overcomes pressure drop penalty. In the present study, initially, extensive investigations of the literature concerning convective boiling inside plain tubes with and without twisted-tape inserts were performed. This literature review covers pressure drop, heat transfer coefficient and the leading frictional pressure drop gradient and heat transfer coefficient predictive methods during convective boiling inside tubes with and without twisted-tape inserts. Then, pressure drop and heat transfer coefficient results acquired in the present study were obtained in an experimental apparatus of 12.7 and 15.9 mm ID tubes during flow boiling of R134a for twisted-tape ratios of 3, 4, 9, 14 and tubes without inserts, mass velocities ranging from 75 to 200 kg/m2 s, saturation temperatures of 5 and 15°C and heat fluxes of 5 and 10 kW/m2. The experimental results were parametrically analyzed and compared against the predictive methods from literature. An analysis of the enhancement of the heat transfer coefficient and the pressure drop penalty is presented. Heat transfer coefficient increments up to 45% keeping the same pumping power and pressure drop penalty of about 35% were obtained by using twisted-tape relative to tubes without inserts. Additionally, through comparison of the present study experimental results with the predictive methods from the literature for heat transfer coefficient during two-phase flow inside tube containing twisted-tape inserts, it was verified that non of these methods predict satisfactory well the experimental results. However, a new method was develop for predicting the heat transfer coefficient during flow boiling inside tubes containing twisted-tape inserts based on the experimental results obtained in the present study. The predictive method takes into account the physical picture of the swirl flow phenomenon by including swirl flow effects promoted by the twisted-tape inserts. The proposed method predicts satisfactorily well the data obtained in the present study, predicting 89.1% of the experimental data within an error band of ± 30% and absolute mean deviation of 15.7%. / A presente pesquisa trata-se de um estudo teórico e experimental sobre a ebulição convectiva no interior de tubos com fitas retorcidas. A crescente demanda por sistemas térmicos mais compactos e eficientes, nos quais os trocadores de calor apresentam elevada relevância, tem motivado o desenvolvimento de inúmeras técnicas de intensificação de troca de calor, sendo que a utilização de fitas retorcidas é uma das técnicas mais adotadas. Fitas retorcidas são utilizadas como técnicas de intensificação de troca de calor há mais de um século. Entretanto o incremento da transferência de calor é acompanhado do aumento da perda de pressão, que por sua vez implica em aumento da potência de bombeamento, e consequentemente afeta a eficiência global do sistema. Adicionalmente, até os dias de hoje não há consenso sobre as condições operacionais em que o ganho com o incremento do coeficiente de transferência de calor é superior à perda devido ao aumento da perda de pressão. Neste estudo, inicialmente foi realizada uma extensa revisão da literatura sobre a ebulição convectiva no interior de tubos com e sem fitas retorcidas. Esta revisão aborda aspectos relacionados à perda de pressão e ao coeficiente de transferência de calor, juntamente com os métodos de previsão destes parâmetros. Foram realizados experimentos para determinação experimental de perda de pressão e coeficiente de transferência de calor, em aparato experimental contando com tubos horizontais com diâmetros internos iguais a 12,7 e 15,9 mm, para escoamento bifásico de R134a, razões de retorcimento iguais a 3, 4, 9, 14 e tubo sem fita, velocidades mássicas entre 75 e 200 kg/m²s, temperaturas de saturação iguais a 5 e 15°C, e fluxo de calor iguais a 5 e 10 kW/m². Os resultados experimentais foram analisados e comparados com estimativas segundo métodos disponíveis na literatura. Uma análise do aumento do coeficiente de transferência de calor e da perda de pressão friccional é apresentada. Foram verificados incrementos do coeficiente de transferência de calor de até 45% para a mesma potência de bombeamento, e aumento de perda de pressão de aproximadamente 35% para tubos com fitas retorcidas em relação aos tubos sem fita. Adicionalmente, através da comparação dos resultados experimentais com os métodos de previsão para coeficiente de transferência de calor, foi verificado que nenhuma metodologia apresentava previsões satisfatórias dos resultados. Portanto um novo método para previsão do coeficiente de transferência de calor durante ebulição convectiva no interior de tubos com fitas retorcidas foi desenvolvido com base nos resultados experimentais obtidos durante o presente estudo. O método proposto é função de parâmetros geométricos e do escoamento, e também de parâmetros físicos do escoamento rotacional induzido pela fita. A metodologia desenvolvida apresenta previsões satisfatórias dos resultados experimentais, prevendo 89,1% dos resultados experimentais com erro inferior a ± 30% e erro médio absoluto igual a 15,7%.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-21102014-103453 |
| Date | 25 March 2014 |
| Creators | Mogaji, Taye Stephen |
| Contributors | Ribatski, Gherhardt |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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