Acoplamento 3-D da transferÃncia de calor em dutos retangulares com o efeito da dissipaÃÃo viscosa e anÃlise da geraÃÃo de entropia.

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2007

RESUMO

O desenvolvimento desta tese teve como propÃsito implementar uma ferramenta numÃrica para simulaÃÃo, estudos e anÃlise do acoplamento tÃrmico em sistemas trocadores de calor. AvaliaÃÃo dos parÃmetros à aplicÃvel para processos de aquecimento, arrefecimento ou resfriamento de fluidos em dutos de equipamentos termofluido-mecÃnicos. Nas superfÃcies destes dutos ocorre o acoplamento da conduÃÃo com a radiaÃÃo, convecÃÃo externa e interna. A conduÃÃo estudada à 2-D, na direÃÃo axial e na seÃÃo transversal do duto com paredes consideradas de espessura fina. O modelo da convecÃÃo interna utiliza formulaÃÃes e mÃtodos de soluÃÃo para a condiÃÃo de temperaturas nÃo-impostas no perÃmetro da seÃÃo transversal de dutos retangulares com escoamento laminar e desenvolvido. Os coeficientes locais de convecÃÃo interna sÃo obtidos pelo cÃlculo de derivadas, apÃs obtenÃÃo do campo de temperatura 3-D do fluido. A convecÃÃo externa à modelada utilizando correlaÃÃes estabelecidas na literatura para obter o nÃmero de Nusselt e o coeficiente de convecÃÃo externa. O estudo da radiaÃÃo consiste basicamente na obtenÃÃo das equaÃÃes integrais de radiosidade na banda de interesse do espectro eletromagnÃtico. Portanto, o modelo contempla o acoplamento 3-D de modos mÃltiplos da transferÃncia de calor em dutos retangulares com escoamento laminar e viscoso. A camada limite hidrodinÃmica e tÃrmica sÃo completamente desenvolvidas. Um modelo fÃsico-matemÃtico e computacional à elaborado para representar o dispositivo proposto e analisar a interaÃÃo entre os modos da transferÃncia de calor. Nas paredes do duto sÃo realizados os balanÃos de energia, surgindo as relaÃÃes de dependÃncia destes modos entre si. O acoplamento das equaÃÃes diferenciais da conduÃÃo, radiaÃÃo, convecÃÃo interna e externa ocorre nestes balanÃos tÃrmicos, em cada uma das paredes, gerando um sistema de equaÃÃes nÃo-lineares. AlÃm das equaÃÃes para o balanÃo de energia, as equaÃÃes de conservaÃÃo da massa, quantidade de movimento e energia governando o escoamento sÃo discretizadas pelo mÃtodo de diferenÃas finitas e, obtÃm-se a partir destas, resultados numÃricos que correspondem aos campos de velocidade e temperatura. A representaÃÃo do domÃnio computacional à feita por malhas estruturadas. A soluÃÃo à obtida para a condiÃÃo de regime permanente. O efeito da dissipaÃÃo viscosa na equaÃÃo da energia à contabilizado, onde se confirma sua importÃncia quando comparando soluÃÃes para Nu=f (Z*) com e sem termos viscosos na referida equaÃÃo. ConvergÃncia e estabilidade da soluÃÃo sÃo demonstradas utilizando a malha com nÃmero adequado de nÃs (pontos) e queda dos resÃduos numÃricos em pelo menos cinco ordens de grandeza. Para o escoamento interno (ar, Ãgua ou Ãleo) e material das paredes em aÃo inox, aÃo-carbono, alumÃnio ou cobre, sÃo avaliados na direÃÃo axial do duto, dentre outros, o coeficiente de convecÃÃo (h), o nÃmero de Nusselt (Nu) e os gradientes de temperatura (mÃdia global e mÃdia das paredes), alÃm do campo 3-D de temperatura e da geraÃÃo de entropia. A metodologia proposta à validada com base na termodinÃmica e princÃpios de conservaÃÃo da energia no acoplamento entre os vÃrios modos da transferÃncia de calor nas paredes do duto. Esta validaÃÃo à amparada tambÃm por meio da comparaÃÃo dos resultados com a literatura, bem como apresentando analises baseadas no significado fÃsico dos parÃmetros obtidos.

ASSUNTO(S)

entropia escoamento viscoso acoplamento termodinÃmico anÃlise numÃrica dutos transferÃncia de calor

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