Comparação de vários métodos de quantificação de má distribuição de fluxo em mini trocadores de calor

Sep 16, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11482 (2023) Citar este artigo

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O objetivo do estudo é comparar vários métodos de quantificação de má distribuição de fluxo, usando velocidade, vazão mássica, pressão e temperatura. Foi elaborado um estudo numérico validado experimentalmente e testado um trocador de calor com 34 canais semicirculares com diâmetro de 3,1 mm. Os minicanais foram aquecidos por baixo com fluxo de calor de 50, 60, 70 e 80 kW/m2. Os casos para várias velocidades de entrada de 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4 m/s foram testados. Isso resulta em um total de 16 casos com diversos fluxos de calor e diversas velocidades de entrada da água. Então, para cada 16 casos, os coeficientes de má distribuição de fluxo, amplamente utilizados na literatura, foram calculados com base nos perfis de velocidade, pressão e temperatura. O estudo mostra que cada método fornece outros resultados do mesmo parâmetro que devem definir a distribuição do fluxo no trocador de calor da mesma forma. Assim, as ambigüidades das conclusões de distribuição de fluidos em trocadores de calor que podem ser encontradas na literatura podem ser causadas por uma interpretação diferente do coeficiente de má distribuição de fluxo. Foi proposto um coeficiente de má distribuição de fluxo normalizado que fornece os mesmos resultados para todos os parâmetros termohidráulicos utilizados.

Tuckerman e Pease1 comprovaram que a redução do diâmetro hidráulico do canal resulta em uma transferência de calor mais intensa. Desde então, muitos pesquisadores lidam com mini ou microcanais2,3. Contudo, como é bem conhecido, quanto menor for o diâmetro hidráulico do canal, maior será a velocidade (para um caudal de massa constante) e, portanto, maior será a queda de pressão. Para manter as quedas de pressão do fluxo no trocador de calor em um nível razoável, pode-se dividir a vazão mássica total em vários ramos. Isso resulta na redução da velocidade em todos os caminhos (enquanto mantém a taxa de fluxo de massa total constante) e, portanto, reduz a queda de pressão. No entanto, muitos minicanais conectados a coletores de entrada e saída comuns proporcionam outro problema hidráulico, nomeadamente a distribuição desigual4. Este fenómeno é mais frequentemente denominado má distribuição de fluxo e cria problemas não só em permutadores de calor5, mas também noutras áreas tecnológicas, por exemplo, torres de dessulfuração de gás6 ou células de combustível7.

No entanto, o fluxo irregular pode ser desejável e há aplicações (por exemplo, na engenharia química ao projetar uma reação em um reator8 ou no resfriamento de eletrônicos onde pode ser encontrado fluxo de calor heterogêneo na superfície9) onde a distribuição não uniforme é usada intencionalmente para melhorar o desempenho geral. desempenho do dispositivo. Li et al.10 mostraram que o fluxo em dissipadores de calor de minicanais paralelos pode ser adaptado (diferentes taxas de fluxo de massa em cada canal) para eliminar os pontos críticos de temperatura quando ocorre fluxo de calor não uniforme de múltiplos picos. Assim, a má distribuição do fluxo (distribuição “má/incorreta/errada”) não significa necessariamente distribuição não uniforme e, ao mesmo tempo, o fluxo não distribuído uniformemente nem sempre é uma má distribuição. No entanto, neste artigo, a suposição é que a distribuição favorável de fluidos é equivalente a uma distribuição uniforme de velocidade e temperatura, de modo que os termos "má distribuição de fluxo" e "fluxo não uniforme" são usados ​​aqui de forma intercambiável.

Nos últimos anos, algumas revisões sobre a má distribuição de fluxo em trocadores de calor mini, micro, compactos e macrocanais foram publicadas11,12,13,14. Dario et al.11 focaram na distribuição de fluxo bifásico em canais paralelos, onde foram discutidos fatores que influenciam a má distribuição do fluxo bifásico e alguns projetos de coletores que melhoram a uniformidade do fluxo. Siddiqui e Zubair12 discutiram a má distribuição do fluxo do ponto de vista da geometria do trocador de calor (principalmente coletores). Os autores mostraram alguns modelos analíticos que tentaram descrever matematicamente a má distribuição do fluxo. Ghani et al.13 focaram principalmente no desenho do coletor no âmbito da má distribuição do fluxo. Os autores discutiram profundamente quais variedades podem ser distinguidas e como variedades específicas influenciam a distribuição de fluidos. Singh et al.14 descreveram a má distribuição do fluxo em diversos trocadores de calor (placa, placa-aleta e tubo-aleta) e mostram o efeito da mudança de fase e variações de propriedades na distribuição do fluxo. Os autores situam seu trabalho no contexto dos coletores solares e da utilização mais sustentável de energia.