Intensificação da transferência de calor em um trocador de calor compacto com geradores de vórtices curvados - Soares, Paulo Henrique [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
Trocadores de calor compactos do tipo tubos-aletados com aletas planas são empregados em uma ampla variedade de aplicações de engenharia para a transferência de calor entre múltiplos fluidos em temperaturas distintas. Devido à sua alta confiabilidade e baixo fator de atrito, este tipo de trocador de calor vem sendo amplamente pesquisado, com o intuito de aproveitar e melhorar o seu desempenho termo-hidráulico e transferência de calor. Algumas pesquisas realizam isto por meio da inserção de geradores de vórtices curvados, que modificam a dinâmica do escoamento no lado das aletas, onde ocorre a maior resistência térmica, no entanto, encontrar os melhores parâmetros geométricos em que ocorram as maiores transferências de calor e menores perdas de carga, ainda é um grande desafio, devido aos complexos padrões gerados no escoamento pelo uso desses dispositivos. Dessa forma, neste trabalho, são estudadas e comparadas configurações de trocadores de calor com geradores de vórtices longitudinais retos e com geradores de vórtices longitudinais curvados, com o objetivo de obter resultados adicionais sobre a transferência de calor e a perda de carga deste tipo de gerador, considerando o ângulo de ataque dos geradores de vórtices de 30°, 45° e 55°, razão de aspecto de 2 e 3, raio de curvatura de 0,8 em relação ao raio dos tubos e número de Reynolds de 800, 2000 e 4000. O software comercial Ansys Fluent foi usado considerando a metodologia dos Volumes Finitos e o modelo de turbulência SST k-Omega para a solução das equações governantes, considerando um escoamento turbulento, tridimensional e em regime estacionário. As análises da transferência de calor e perda de carga no trocador em função das alterações geométricas e operacionais foram feitas através dos parâmetros termo-hidráulicos Fator de Colburn (j) e Fator de Atrito (f). Os principais resultados indicam que os geradores de vórtices longitudinais retos tiveram um desempenho (((j/j0))⁄((f/f0))) superior aos geradores de vórtices longitudinais curvados, entretanto, os modelos curvados foram superiores na transferência de calor, apresentando um aumento médio de 11% para j em relação aos retos e de 32% em relação ao caso base (j0). A razão de aspecto dos geradores de vórtices curvados quando foi variada de 2 para 3, aumentou em média, 12% a relação de j⁄j0 e foi a variável que mais contribui para o aumento da transferência de calor. A variação do ângulo de ataque não provocou uma mudança significativa da relação de j⁄j0 para cada grau aumentado.

Finned-tube compact heat exchangers with flat-finned are used in a wide variety of engineering applications to transfer heat between multiple fluids at different temperatures. Due to its high reliability and low friction factor, this type of heat exchanger has been widely researched, with the aim of taking advantage of and improving its thermo-hydraulic performance and heat transfer. Some researches accomplish this through the insertion of curved vortex generators, which modify the flow dynamics on the side of the fins, where the greatest thermal resistance occurs, however, finding the best geometric parameters in which the highest heat transfer and lowest pressure drop occur, is still a big challenge, due to the complex patterns generated in the flow by the use of these devices. Thus, in this work, configurations of heat exchangers with straight longitudinal vortex generators and with curved longitudinal vortex generators are studied and compared, in order to obtain additional results on heat transfer and pressure drop of this type of generator, considering the angle of attack of the vortex generators of 30°, 45° and 55°, the aspect ratio of 2 and 3, radius of curvature of 0.8 in relation to the radius of the tubes and Reynolds numbers of 800, 2000 and 4000. The commercial software Ansys Fluent was used considering the Finite Volumes methodology and the SST k-Omega turbulence model for the solution of the governing equations, considering a turbulent, three-dimensional and steady-state flow. The heat transfer and pressure drop analyses in the exchanger as a function of geometric and operational changes were made through the thermal-hydraulic parameters Colburn Factor (j) and Friction Factor (f). The main results indicate that the straight longitudinal vortex generators had a better performance (((j/j0))⁄((f/f0))) than the curved longitudinal vortex generators, however, the curved models were superior in heat transfer, showing an average increase of 11% for j in relation to the straight ones and of 32% in relation to the case baseline (j0). When the curved vortex generators aspect ratio was varied from 2 to 3, it increased the ratio j⁄j0 by an average of 12% and it was the variable that most contributed to the increase in heat transfer. The variation in the angle of attack did not cause a significant change in the ratio j⁄j0 for each degree increased.
Heat transfer intensification in a compact heat exchanger with curved vortex generators
Keywords: Compact heat exchangers; Curved vortex generators; Straight vortex generators; Numerical simulation; Intensification of heat; Trocadores de calor compactos; Geradores de vórtices curvados; Geradores de vórtices retos; Simulação numérica; Intensificação da transferência de calor