Análise e otimização de evaporadores de aletas periféricas

Abstract

O presente trabalho apresenta uma análise teórica e experimental de um conceito alternativo de superfícies estendidas para trocadores de calor compactos. O evaporador de aletas periféricas é um trocador de calor de fluxo cruzado cuja superfície do lado do ar é formada por conjuntos de aletas radiais cujas bases são conectadas aos tubos e cujas pontas se conectam à aletas periféricas. Cada conjunto é composto por seis aletas radiais e seis aletas periféricas, formando uma estrutura hexagonal. A configuração das superfícies estendidas do lado do ar é composta por três níveis de aletas, cada qual caracterizado pelo comprimento da aleta radial. Cada conjunto é montado com uma defasagem de 30o com relação ao conjunto vizinho. Uma bancada experimental foi utilizada para avaliar a queda de pressão e a transferência de calor do lado do ar em 5 protótipos de evaporadores em função da vazão de ar e de características geométricas dos trocadores de calor, como tamanho de aletas, disposição espacial e comprimento do trocador. O aparato experimental é constituído de um túnel de vento e de um circuito de água para circulação interna dentro dos tubos. Um modelo teórico unidimensional baseado na teoria clássica de meios porosos foi desenvolvido para predizer o comportamento termo-hidráulico do trocador de calor. O modelo incorpora a geometria real das aletas no cálculo da porosidade do lado do ar. A permeabilidade do lado do ar é calculada de acordo com o modelo de Kozeny-Carman baseado na definição de diâmetro das partículas devida à Whitaker. As correlações de Whitaker (1972) e de Handley e Heggs (1968) para o número de Nusselt e de Ergun (1952) e de Montillet et al. (2007) para o fator de atrito foram implementadas no modelo e previram com uma concordância satisfatória os dados experimentais, com um erro máximo de 10% para a transferência de calor e 20% e 30% respectivamente para a queda de pressão. A determinação das dimensões ótimas do evaporador de aletas periféricas para uma taxa de transferência de calor especificada foi realizada para as situações-limite de temperatura de parede constante e de fluxo de calor constante com base em um cálculo da minimização da geração de entropia (devido à transferência de calor e atrito) no lado do ar.

This work presents a theoretical and experimental analisys of a novel compact heat exchanger surface geometry for refrigeration applications. The so-called peripheral finned-tube evaporator is a cross-flow heat exchanger whose air-side is composed by a hexagonal arrangement of open-pore cells formed by radial fins whose bases are attached to the tubes and whose tips are connected to the peripheral fins. Each fin arrangement is made up of six radial fins and six peripheral fins forming a hexagon-like structure. The air-side fin configuration is composed of three levels of fin arrangement, each characterized by the length of radial fin and mounted with a 30o offset from its neighboring level. An experimental apparatus was used to measure the air-side pressure drop and the heat transfer characteristics in 5 evaporators prototypes as a function of the air flow rate and the heat exchanger geometric parameters, such as the radial length of fins, distribution and evaporator lenght. The test facility consists of an open wind tunnel connected to a water loop. A one-dimensional theoretical model based on the theory of porous media has been developed to predict the thermal-hydraulic behavior of the heat exchanger. The model incorporates the actual fin geometry into the calculation of the air-side porosity. The air-side permeability is calculated according to the Kozeny-Carman model with the particle diameter definition due to Whitaker. The correlations due to Whitaker (1972) and Handley and Heggs (1968) for the Nusselt number and due to Ergun (1952) and Montillet et al. (2007) for the friction factor have been implemented in the model. They have predicted the experimental data with an acceptable level of agreement, showing a maximum deviation of 10% for the heat transfer and 20% and 30% for the pressure drop, respectively. The optimum overall dimensions of the peripheral finned-tube evaporator have been determined for the limiting cases of constant wall temperature and constant wall heat flux based on a minimization of the entropy generation (due to fluid friction and heat transfer) on the air-side for a given air heat transfer rate.