Estudo da formação de geada em trocadores de calor de aletas periféricas

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental da formação de geada em trocadores de calor de aletas periféricas, os quais possuem uma nova geometria da superfície externa de trocadores de calor compactos. Tal estudo tende a complementar o trabalho desenvolvido por Pussoli (2010), o qual avaliou a performance termo-hidráulica deste tipo de trocador de calor sob condições secas (sem formação de condensado ou geada). A geometria externa consiste em seis aletas cujas bases são acopladas radialmente ao redor do tubo, e cujas pontas são conectadas pelas aletas periféricas. Isto resulta em um conjunto hexagonal de aletas, que são fabricados em três diferentes tamanhos, caracterizados pelo comprimento das aletas radiais. As aletas são montadas sobre o tubo, defasadas de 30° entre si, dando origem ao trocador de calor. O trabalho foi dividido em duas frentes. A experimental consistiu em utilizar um calorímetro de túnel de vento de circuito fechado para testar um protótipo do trocador de calor de aletas periféricas, sob condições nas quais ocorre a formação de geada. O calorímetro controla a vazão volumétrica e as condições psicrométricas do ar na entrada da seção de teste, além da temperatura de entrada do fluido refrigerante que circula no trocador de calor. A taxa de transferência de calor e a massa de geada acumulada durante os testes são calculados por meio de balanços de energia e massa no trocador. Além disso, mede-se a queda de pressão no lado do ar causado pela presença da geada. A frente numérica consistiu em desenvolver a modelagem matemática dos fenômenos de transferência de calor e de massa que ocorrem no trocador para uma variedade de condições de operação, de modo a prever seu comportamento transiente. O modelo considera o caminho percorrido pelo ar no trocador de calor como um meio poroso, cuja porosidade, diâmetro equivalente de partícula e propriedades termofísícas variam com o tempo devido ao acúmulo de geada. O equacionamento foi implementado na plataforma EES (Klein e Alvarado, 2015) para automatização dos cálculos. Os resultados gerados pelo modelo matemático apresentaram concordância satisfatória com os experimentos para as principais variáveis avaliadas. O modelo foi capaz de prever a redução na taxa de transferência de calor e o aumento da queda de pressão do lado do ar devido à presença da geada. A efetividade de entalpia apresentou boa concordância no início de todas as simulações, com desvios da ordem de 15 %. Contudo, com o aumento do tempo de simulação, erros maiores foram encontrados em algumas condições. A comparação da massa de geada formada e da queda de pressão do lado do ar foram satisfatórias, tendo em vista que a maior parte das simulações correlacionou os dados experimentais com desvios de 20 %.<br>

Abstract : This work presents a theoretical and experimental study of frost formation in peripheral finned-tube (PFT) heat exchangers, which have a novel air-side geometry of compact heat exchangers. This study should complement the work developed by Pussoli (2010), who evaluated the thermo-hydraulic performance of these heat exchangers under dry conditions (with no frost or condensate formation). The air-side geometry consists in six fins radially disposed around the tube, connected on its bases to the tube and on its tips by the peripheral fins. This results in an hexagonal set of fins, which are fabricated in three sizes, each characterized by the length of the radial fin. The fins are mounted around the tube with a 30° offset from its neighbors. This work was divided in two parts. The experimental part consisted in using a closed-loop wind tunnel calorimeter to test a prototype of the peripheral finned-tube heat exchanger under frosting conditions. The apparatus controls the air flow rate and psychrometric conditions at the test section inlet and the coolant temperature at the heat exchanger inlet. The heat transfer rate and the mass of frost accumulated during the tests are calculated using the energy and mass balances on the heat exchanger. Also, the change of the air-side pressure drop caused by frost is measured. The theoretical part consisted in developing a mathematical model of the heat and mass transfer phenomena that take place on the heat exchanger for a variety of test conditions, aiming to predict their transient behavior. The model treats the air flow paths as a porous medium, whose porosity, mean particle diameter and thermal properties vary with time due to the frost accumulation. The equations were implemented in the EES platform (Klein and Alvarado, 2015) to automate the calculation. The results obtained by the mathematical model presented satisfactory agreement with the experimental data for the main variables evaluated. The model was able to predict the reduction on the heat transfer rate and the increase on the airside pressure drop due to the presence of frost. The enthalpy effectiveness presented a good agreement at the early times of all simulation, with errors within + 15 % bands. However, as time increased in the simulations, larger errorswere obtained in some of the conditions. The comparison of the mass of frost accumulated and the air-side pressure drop predictions presented satisfactory agreement, as most of the results were correlated with the experimental data within + 20 % error bands.