Intensificação da transferência de calor em trocador de calor compacto de aleta ondulada através de geradores de vórtices longitudinais

Abstract

Considerando a necessidade atual de pesquisas contínuas para o desenvolvimento de trocadores de calor de alta eficiência com baixa penalização na queda de pressão, visando a redução de custos com materiais e processo de fabricação. O presente trabalho avalia a intensificação da transferência de calor em um trocador de calor compacto operando em baixo número de Reynolds, que são característicos em sistemas de refrigeração e condicionamento de ar, através da combinação de técnicas passivas com aletas onduladas e geradores de vórtices longitudinais. A modelagem computacional considera um modelo tridimensional, com um escoamento incompressível, em regime estacionário e turbulento. O trocador de calor com aletas onduladas será avaliado considerando tubos circulares e elípticos combinados à geradores de vórtices do tipo delta-winglet e retangular-winglet, com razão de aspecto 2 e ângulos de ataque de 15°, 30° e 45°. A transferência de calor é avaliada pelo Fator de Colburn e a queda de pressão é analisada pelo Fator de Atrito. Em comparação com o trocador de calor de referência (sem geradores de vórtices), os resultados mostraram aumento na transferência de calor de 41% com o uso de tubos elípticos associados a um gerador de vórtice tipo winglet-retangular. Para o fator de atrito, a configuração com geradores de vórtice do tipo winglet-retangular apresentou queda de pressão maior que a do tipo delta-winglet e os arranjos de tubos circulares apresentaram fator de atrito maior que os tubos elípticos. De maneira geral, os resultados mostraram que a técnica passiva composta é eficaz para aumentar a troca de calor em trocadores de calor compactos, permitindo, entre outros aspectos, a redução de materiais em seu processo de fabricação e nos processos de manufatura.

Considering the actual necessity of continuous research to develop heat exchangers with higher efficiency and low pressure drop penalty, looking to reduce the costs with materials and manufacturing, the present work investigate the heat transfer augmentation for a compact heat exchanger operating at low Reynolds numbers, related to refrigeration and air conditioning systems, by combining passives techniques of wavy fin and longitudinal vortices generators. The computational modeling considers a tridimensional model, for an incompressible, steady-state and turbulent flow. The heat exchanger with wavy fins is evaluated considering circular and elliptical tubes combined with vortex generator of delta-winglet and rectangular-winglet with aspect ratio of 2 and attack angles of 15º, 30º and 45º. The heat transfer was performed by Colburn Factor and the pressure drop by friction factor. In comparison with the reference heat exchanger (without vortices generators), the results show an increasing in the heat exchange of 41% using the elliptical tubes associated with a rectangular-winglet vortex generator. For the friction factor, the configuration with rectangular-winglet vortex generators resulted higher pressure drop than delta-winglet vortex generator. Moreover, the friction factor for circular tubes is higher than elliptical tubes. Overall, the results shown that compound passive techniques is an efficient technique to improve the heat exchange in compact heat exchanger, allowing, among others things, the reduction of materials for fabrication process and manufacturing.