Tesis
Comparação de duas alternativas para o resfriamento de aquecedores protuberantes num duto retangular
Comparison of two alternatives for the cooling of protuding heaters in a rectangular duct
Registration in:
Author
Rodrigues, Bruno Resende, 1991-
Institutions
Abstract
Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho foi efetuada uma investigação experimental e numérica da transferência conjugada de calor de aquecedores discretos montados na parede de um duto retangular para um escoamento interno forçado de ar. A perda de calor dos aquecedores ocorria principalmente por convecção das suas superfícies expostas ao escoamento e por condução para a placa de substrato onde eles eram montados. A placa de substrato era a parede de separação de dois dutos retangulares simétricos com pares de aquecedores montados de cada lado da placa. Duas configurações foram investigadas para o escoamento de ar nos dutos, uma com entradas frontais e outra com entradas de topo. Os testes experimentais para cada configuração foram realizados com duas placas de substrato dos aquecedores, uma de acrílico e outra de alumínio. O processo convectivo foi descrito pelo número de Nusselt adiabático e o processo conjugado de transferência de calor, por uma matriz de coeficientes conjugados. Ambos são adimensionais e invariantes com as respectivas taxas de troca de calor. Os efeitos das duas configurações de escoamento e dos dois substratos no resfriamento dos aquecedores foram comparados por meio destes descritores. Testes experimentais específicos foram efetuados posteriormente para verificar a característica invariante dos coeficientes conjugados. Resultados similares também foram obtidos de simulações numéricas tridimensionais em regime permanente através de um pacote computacional, utilizando modelos do duto e dos escoamentos. O duto foi modelado com aquecedores rentes no lugar dos protuberantes utilizados em laboratório e com perfis uniformes de velocidade e temperatura nas entradas de ar. O escoamento foi simulado no regime laminar ou no regime turbulento, utilizando um modelo de turbulência contido no pacote computacional. Testes adicionais foram efetuados com os dois pares de aquecedores ativos, dissipando potências arbitrárias. Os resultados obtidos indicaram que os coeficientes conjugados são descritores invariantes do resfriamento de aquecedores discretos por convecção forçada e condução em um duto. As simulações numéricas apresentaram concordância razoável com os resultados experimentais para valores de Reynolds até 2500. Acima deste valor, os resultados numéricos e experimentais apresentaram comportamentos distintos Abstract: This work presents an experimental and numerical investigation of the conjugate heat transfer from discrete heaters mounted on the wall of a rectangular duct to a forced internal airflow. The heat loss from the heaters occurred mainly by forced convection from the heaters exposed surfaces to the flow and by conduction to the substrate plate in which they were mounted. The substrate plate was the separating wall of two symmetric rectangular ducts with pairs of heaters mounted on each side of the plate. Two configurations were investigated for the airflow in the ducts, one with side inlets and the other with top inlets. The experimental tests for each configuration were performed with two distinct substrate plates, one made of Plexiglas and the other of aluminum. The convective process was described by the adiabatic Nusselt number and the conjugate heat transfer process, by a matrix of conjugate coefficients. They are both dimensionless and invariants to their respective heat transfer rates. The effects of the two flow configurations and of the two substrate materials on the heaters cooling were compared by means of these descriptors. Specific experimental tests were performed to verify the invariance of the conjugate coefficients. Similar results were also obtained from steady state three dimensional numerical simulations performed in a commercial software package, using a model for the duct and for the airflow. The duct was modeled with flush mounted heaters instead of the protruding heaters of the experiments and with uniform velocity and temperature at the airflow inlets. The airflow simulations were performed either in the laminar or turbulent regime, using a turbulence model contained in the software package. Additional experimental tests were performed with both pairs of heaters active, dissipating distinct power. The experimental results obtained showed that the conjugate coefficients are invariant descriptors of the discrete heaters cooling by forced convection-conduction in a duct. The numerical simulations showed reasonable agreement with the experimental results for Reynolds numbers up to 2500. Beyond this value, the numerical and the experimental results presented distinct behavior Mestrado Termica e Fluidos Mestre em Engenharia Mecânica 33003017 CAPES