Utilização de simulações numéricas eulerianas para avaliar o acréscimo de troca térmica em um trocador de calor da indústria de óleo e gás que utiliza nanofluidos

Abstract

Os trocadores de calor são equipamentos empregados para transferir energia térmica entre fluidos. Estes dispositivos desempenham um papel fundamental em muitos processos industriais e de engenharia. Nesse contexto, prever e melhorar seu desempenho térmico por meio de simulações numéricas tem um grande impacto nos aspectos técnicos, econômicos e ambientais. O presente trabalho visa avaliar a transferência de calor em um trocador de calor do tipo casco e tubos por meio de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando o software Ansys Fluent. Para tanto, desenvolve-se um modelo simplificado de um trocador de calor do tipo casco e tubos, com seis defletores, o qual opera em regime turbulento. Neste trocador de calor, considera-se que um fluido refrigerante (em um primeiro momento a água e, depois, o nanofluido de Al2O3) passa pelo lado do casco e a temperatura das paredes externas dos tubos internos permanece constante. Os resultados revelam que o nanofluido de Al2O3 (Óxido de alumínio) desempenha um papel considerável no aumento da taxa de transferência de calor e do coeficiente global de transferência de calor. A condutividade térmica e a concentração das nanopartículas mostram-se influentes nesse fenômeno. No entanto, existe uma penalidade na queda de pressão, especificamente por causa do incremento da massa específica e da viscosidade do nanofluido. Destaca-se que os incrementos mais significativos na taxa de transferência de calor são registrados nas três condições de vazão mássica testadas (0,5 kg/s, 0,6 kg/s e 0,7 kg/s), com uma concentração de nanopartículas de 1,25%, atingindo em média um aumento de 37,83%. Além disso, para concentrações mais baixas, observa-se um aumento de 30,76% quando a concentração é de 1,00%, um incremento de 23,32% à 0,75%, de 15,47% à 0,50% e um acréscimo de 7,16% quando a concentração é de 0,25%, em comparação com o fluido base (água). Para as mesmas condições, os coeficientes globais de transferência de calor experimentam aumentos de 47,84%, 8,51%, 18,70%, 28,62% e 38,32%, respectivamente. No que se refere à queda de pressão, esses aumentos foram de 5,30%, 4,41%, 3,51%, 2,61% e 1,72%, respectivamente. Ressalta-se que a concentração ideal de nanopartículas foi determinada como sendo igual a 1,25%, uma vez que essa concentração proporciona os maiores acréscimos percentuais nas variáveis que influenciam os parâmetros operacionais do trocador de calor, com um impacto sobre a queda de pressão relativamente baixo

Heat exchangers are devices used to transfer thermal energy between fluids. These devices have a fundamental function in many industrial and engineering processes. In this context, predicting and improving their thermal performance through numerical simulations has a great impact on technical, economic and environmental aspects. This work aims to evaluate heat transfer in a shell and tube heat exchanger using Computational Fluid Dynamics (CFD) using the Ansys Fluent software. To this purpose, a simplified model of a shell-and-tube heat exchanger with six baffles and operating in a turbulent regime is developed. In this heat exchanger, it is assumed that a refrigerant fluid (in the first part of this work it will be water, which will then be substituted by the Al2O3 nanofluid) passes through the shell side and the temperature of the outer walls of the inner tubes remains constant. The results show that the Al2O3 (Aluminum oxide) nanofluid has a considerable role to play in increasing the heat transfer rate and the overall heat transfer coefficient. The thermal conductivity and concentration of the nanoparticles prove to be influential in this phenomenon. However, there is a penalty in the pressure drop, specifically because of the increase in the specific mass and viscosity of the nanofluid. It should be noted that the most significant increases in the heat transfer rate are recorded in the three mass flow conditions tested (0.5 kg/s, 0.6 kg/s and 0.7 kg/s) with a nanoparticle concentration of 1.25%, reaching an average increase of 37.83%. In addition, for lower concentrations, there is an increase of 30.76% when the concentration is 1.00%, an increase of 23.32% at 0.75%, 15.47% at 0.50% and an increase of 7.16% when the concentration is 0.25%, compared to the base fluid (water). For the same conditions, the overall heat transfer coefficients increase by 47.84%, 8.51%, 18.70%, 28.62% and 38.32% respectively. As for the pressure drop, these increases were 5.30%, 4.41%, 3.51%, 2.61% and 1.72%, respectively. It should be noted that the ideal concentration of nanoparticles was determined to be 1.25%, since this concentration provides the highest percentage increases in the variables that influence the heat exchanger's operating parameters, with a relatively low impact on the pressure drop.