Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-01-17T03:16:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2016 / Trocadores de calor assistidos pela tecnologia de termossifões são equipamentos altamente eficientes. Estes tipos de dispositivos podem transferir altas taxas de calor, com baixas resistências térmicas, entre dois escoamentos com diferentes temperaturas. Diferentes configurações geométricas podem ser adotadas, dependendo da aplicação, incluindo os trocadores de fluxo cruzado ou casco tubos. Nestes tipos de trocadores de calor, os fluxos das correntes quente e fria ocorrem externamente ao feixe de tubos. Para a estimativa dos coeficientes de troca de calor externa por convecção externa e a para a determinação das perdas de carga monofásicas, são usadas correlações experimentais. Entretanto, correlações experimentais podem não estar disponíveis para geometrias complexas ou/e quando as propriedades termofísicas ficam fora do intervalo de validade, como acontece com fluidos muito viscosos. Ferramentas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) mostram ter grande aplicabilidade no projeto de trocadores de calor. Uma das principais dificuldades no estudo de trocadores assistidos por termossifões é selecionar uma correlação apropriada para acoplar termicamente os fenômenos internos de mudança de fase com os escoamentos em convecção forçada externa ao feixe de tubos. Neste trabalho, é proposta uma metodologia de acoplamento térmico empregando ferramentas numéricas para trocadores de calor com termossifões. A metodologia acopla o modelo de resistência térmica equivalente para termossifões, associada à mudança de fase interna, com as simulações numéricas dos escoamentos externos. Foram estudados três casos: o primeiro consiste de um termossifão único trocando calor com duas correntes fluidas em escoamento cruzado, o segundo de um feixe de termossifões e finalmente, no terceiro caso, foi analisado um trocador de calor completo do tipo casco casco assistidos por termossifões. Para a avaliação do coeficiente externo de transferência de calor por convecção, foram comparadas as previsões feitas pelas correlações experimentais presentes na literatura contra as respectivas estimativas obtidas da análise computacional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância entre os modelos numéricos e os modelos semianalíticos analisados.<br> / Abstract : Two-phase thermosyphon heat exchangers are highly efficient equipment. They can transfer high heat flux rates, with low thermal resistances, between two fluid streams at different temperatures. Different geometry configurations can be adopted, depending on the application, including: cross-flow and shell and tube, among others. These equipment are normally designed using convection heat transfer and friction empirical correlations for cross-flow external to the tube banks, which are coupled with thermosyphon internal thermal resistance correlations. However, correlations may not be available for complex geometries and/or when the fluid thermophysical properties are outside the valid range of the cross-flow correlations, as happens with very viscous fluids. Computational fluid dynamic (CFD) tools have shown to be a powerful design tool for this type of equipment. The main difficulty that arises with this approach is to select the appropriate correlations to be used to couple the thermosyphon internal phase change phenomena with the external forced convection over the evaporator and condenser outside walls. In this work, a numerical model for thermal coupling in two-phase thermosyphon heat exchangers is proposed. This methodology couples thermosyphon total thermal resistance model, which is associated with the internal phase change, with the numerical simulation of the external flows. For a comparison purposes, three cases were studied: the first consists of a single thermosyphon, with external cross-flow the second is thermosyphon bundle in cross-flow and, finally, a complete thermosyphon shell and shell heat exchanger. To validate the external convection heat transfer coefficients obtained numerically, they were compared with experimental correlations available from literature. The obtained results show good agreement between the numerical and the semi-analytical models.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/172354 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Sarmiento Cajamarca, Andrés Paul |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Milanese, Fernando Henrique, Mantelli, Márcia Barbosa Henriques |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 151 p.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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