Teoria construtal aplicada à otimização geométrica da disposição dos tubos de um trocador de calor com arranjo de tubos alternados

No cotidiano, é possível deparar-se com situações que envolvam aplicações da transferência de calor desde residências até o ambiente de trabalho. Frequentemente, em processos industriais, faz-se necessária a utilização de trocadores de calor para realização de extração ou adição de calor em fluidos. Atualmente, existem diversos tipos e configurações destes equipamentos, sendo estes aplicados em situações apropriadas. A Teoria Construtal tem como objetivo melhorar as formas geométricas de algum sistema. Podendo-se citar a otimização de estruturas que visa um aumento de transferência de calor através de sua otimização geométrica. Este trabalho teve como principal objetivo a otimização geométrica da disposição dos tubos de um trocador de calor com arranjo de tubos alternados por meio da aplicação da Teoria Construtal. A solução numérica dos problemas propostos foi realizada empregando o software ANSYS Fluent, com a finalidade de aumentar a eficiência da transferência de calor dos tubos com os fluidos power-law. Avaliou-se a influência do número de Reynolds (Re) e do índice de comportamento do escoamento (n) sobre o passo longitudinal ótimo, variando Re de 75 a 1200 e n de 0,4 a 1. Os resultados obtidos, para um escoamento com Pr = 7, n = 0,6 e o Re variando de 75 a 1200, mostram que o aumento do Re influencia positivamente na transferência de calor, devido ao aumento do ∑Nu. Observa-se que para os casos nos quais o Re varia de 75 a 300, as distâncias longitudinais ótimas são de 1,95. E os casos com Re igual a 800 e 1200, apresentaram uma distância longitudinal ótima de 2,2. Já a variação do índice de comportamento do escoamento, de 0,4 a 1, em um escoamento com Pr = 7 e Re = 150 mostra que ocorre um aumento da transferência de calor em função do aumento do n. Os valores das distâncias longitudinais ótimas para os n de 0,4, 0,6 e 1 são de 1,95, e paro o n de 0,8 é de 1,8.In everyday life, it is possible to encounter situations that involve applications of heat transfer from residences to the work environment. Often in industrial processes, it is necessary to heat exchangers for performing the extraction or addition of heat in fluids. Currently, there are several types and configurations of these equipment, and these are applied in appropriate situations. The Construtal Theory aims to improve the geometric forms of some system. One can cite the optimization of structures that aims at an increase of heat transfer through its geometric optimization. This work had as main objective the geometric optimization of the tube arrangement of a heat exchanger with alternating tube arrangement through the application of the Construtorial Theory. The numerical solution of the problems proposed were performed using ANSYS software Fluent, for the purpose of increase the heat transfer efficiency of the tubes with power-law fluids. It was evaluated the influence of Reynolds number (Re) and flow behavior index (n) on the optimum longitudinal pitch ranging Re 75 to 1200 and n is from 0,4 to 1. The results obtained, for a flow with Pr = 7, n = 0,6 and the Re ranging from 75 to 1200, show that the increase of Re influences positively the heat transfer due to the increase of ∑Nu. It is observed that for the cases in which the Re varies from 75 to 300, the optimal longitudinal distances are 1,95. And the cases with Re equal to 800 and 1200, presented an optimal longitudinal distance of 2,2. The variation of the flow behavior index, from 0,4 to 1, in a flow with Pr = 7 and Re = 150 shows that an increase in heat transfer occurs as a function of the increase of n. The values of the optimal longitudinal distances for n of 0,4, 0,6 and 1 are 1,95, and the n of 0,8 is 1,8

Temperatura da camada de gás quente de um incêndio pré-flashover em um multi compartimento considerando a localização do incêndio : desenvolvimento de correlações semiempíricas para a sua previsão

Durante um incêndio em compartimentos, ocorre a formação de uma camada de gases quentes abaixo do teto. Essa camada tende a se espalhar para os espaços adjacentes por meio das conexões entre os compartimentos, sendo sua análise de fundamental importância na análise de segurança contra incêndios. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivos a análise da influência da posição do incêndio na temperatura da camada de gás quente, , em um multi compartimento, compreender o comportamento da pluma com o ambiente adjacente, além do desenvolvimento de modelos semi-empíricos para prever a de uma sala adjacente a um incêndio pré-flashover bem ventilado em um compartimento, levando em consideração a posição do incêndio. Os dados utilizados foram obtidos por meio de simulação numérica, utilizando o software CFD chamado FDS (Fire Dynamics Simulator), após passar pelo estudo de qualidade de malha e a subsequente etapa de validação. Os resultados mostraram que o fator de ventilação possui uma relação de proporcionalidade inversa em relação à temperatura da camada de gás quente em ambas as salas. Observou-se que a presença de paredes (obstruções) próximas ao incêndio ou a própria elevação do foco de incêndio acima do nível do solo, são responsáveis pela redução do arrastamento de ar pela pluma e chama, fazendo com que haja um aumento na temperatura na camada de gás quente e uma redução no volume de fumaça gerado na sala do fogo. Ao reduzir-se o volume de fumaça que escoa para a sala adjacente, pelo posicionamento do incêndio, por exemplo, obter-se-á um baixo aumento na da sala adjacente em relação ao incêndio na posição central. Por fim, analisou-se a influência da taxa de liberação de calor na temperatura da camada de gás quente, onde ficou evidente que este é o parâmetro que mais afeta a temperatura no multi compartimento. A partir dos resultados numéricos gerados, desenvolveram-se modelos semi-empíricos para predizer a da sala adjacente, considerando as posições do incêndio no nível do solo e as suas respectivas elevações. Os resultados obtidos com os modelos semi-empíricos foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura, obtendo uma boa concordância, demonstrando a sua aplicabilidade a outros casos.During a fire in an enclosure, a layer of hot gases forms under the bottom of the ceiling. This layer spreads to adjacent spaces through the connections between the compartments, its analysis being of fundamental importance in the fire safety analysis. Thus, the present work aims to analyze the influence of fire position on the hot gas layer temperature, , in a multicompartment, understand the behavior of the plume in the adjacent environment, in addition to the development of semi-empirical models to predict the of an adjacent to a preflashover well ventilated fire in a room, taking into account the fire position. The data used in this study were obtained through numerical simulation using the CFD software called FDS (Fire Dynamics Simulator), after going through the mesh quality study and the subsequent validation step. The results showed that the ventilation factor is inversely proportional to the temperature of the hot gas layer in both rooms. It was observed that the presence of walls (obstructions) close to the fire or the elevation of the fire source above ground level are responsible for the reduction of air entrainment by the plume and flame, causing an increase in the hot gas layer temperature and a reduction in the volume of smoke generated in the fire room. By reducing the volume of smoke that flows to the adjacent room, by positioning the fire, for example, a low increase in the of the adjacent room will be obtained in relation to the fire in the central position. Finally, the influence of the heat release rate on the hot gas layer temperature was analyzed, where it became evident that this is the parameter that most affects the temperature in the multi compartment. From the numerical results generated, semiempirical models were developed to predict the of the adjacent room, considering the fire positions at ground level and their respective elevations. The results obtained with the semiempirical models were compared with experimental data available in the literature, obtaining a good agreement, demonstrating its applicability to other cases