Experiência: compressores a pistãO



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Trocador de Fluxo Cruzado de Ar EM 847 – Laboratórico Calor e Fluidos - DE/FEM


Faculdade de Engenharia Mecânica

Departamento de Energia


EM 847 - Laboratório de Calor e Fluidos



Trocador de Calor de Fluxo Cruzado de Ar
1 INTRODUÇÃO
Trocadores de calor são dispositivos construídos para efetuar uma troca de calor eficiente entre dois fluidos. São amplamente utilizados em processos de engenharia, por exemplo, como inter-resfriadores, pré-aquecedores, evaporadores, condensadores, etc.

N
os trocadores de calor de fluxo cruzado, objeto de análise na presente experiência, as direções do escoamento dos fluidos de trabalho são perpendiculares entre sí. Um fluido flui internamente em um conjunto (feixe) de tubos e outro fluido flui externamente, com temperatura diferente, através dos tubos, ver esquema na Figura 1 abaixo. O trocador de fluxo cruzado, especificamente, tem ampla aplicação na engenharia, sendo muito utilizado como evaporadores, no resfriamento a ar de condensadores de equipamentos de ar-condicionado e como resfriadores da água de resfriamento de motores de automóveis.


Figura 1. Vistas lateral e frontal de esquema de um trocador de fluxo cruzado
Os tubos do trocador de fluxo cruzado são arranjados de várias formas, todas elas procurando maximizar a eficiência do equipamento através do aumento da taxa de transferência de calor e da redução de seu tamanho. O objetivo dos vários arranjos

possíveis dos tubos é estabelecer condições do escoamento externo sobre o feixe de tubos tais que prevaleçam os efeitos de separação de camada limite e interação de vórtices, tudo visando influenciar (maximizar) o coeficiente de transferência de calor por convecção.

Evidentemente, o coeficiente convectivo externo é só um dos fatores que determina o coeficiente global de troca. Este é composto por três termos: primeiro, o coeficiente convectivo interno ao tubo, segundo, a condutância do tubo, que depende da condutividade térmica e da espessura da parede do tubo e, terceiro, do coeficiente convectivo externo. O aumento dos primeiros dois termos é obtido com aumento de velocidade do escoamento interno (maior vazão do fluido) e com o uso de tubos mais finos feitos com material de condutividade térmica elevada. O coeficiente convectivo externo aos tubos pode ser incrementado aumentando-se a velocidade do escoamento ou com o uso de arranjos apropriados dos tubos. Neste último caso, o objetivo é obter um aumento do coeficiente convectivo externo acima do que seria obtido simplesmente com o aumento do número de Reynolds associado ao aumento da velocidade do escoamento. Se o fluido escoando externamente aos tubos é um gás, um aumento adicional do coeficiente convectivo seria obtido com o uso de aletas nos tubos.

Assim, as fileiras de tubos que formam um feixe podem ser alinhadas ou desalinhadas em relação à direção principal do escoamento. A configuração de um banco de tubos é caracterizada pelo diâmetro do tubo, d, e pelas distâncias transversal, sT, e longitudinal, sL, ambas medidas a partir do centro dos tubos (ver Figura 1). O coeficiente de transferência de calor associado a um certo tubo depende de sua posição no feixe.O coeficiente convectivo para um tubo colocado na primeira fileira em relação ao fluxo externo é aproximadamente igual ao de um tubo simples colocado em uma corrente cruzada. Os tubos colocados internamente no feixe terão maiores coeficientes convectivos

Nesta experiência especificamente, o interesse se concentra na determinação e análise da transferência de calor por convecção associada com o fluxo cruzado sobre os tubos. Na montagem tem-se o escoamento de um fluido de trabalho somente, o ar que escoa externamente aos tubos. Para simular o escoamento de um fluido quente no interior dos tubos, tem-se um elemento aquecedor, isto é, um tubo de dimensões similares aos demais do trocador, dissipando calor por efeito Joule para o escoamento de ar externo. O escoamento externo de ar é suprido por um ventilador e pode ser ajustado para diferentes valores do número de Reynolds. O elemento aquecedor pode ser o único tubo no escoamento, configurando um escoamento cruzado sobre um único cilindro. Ou pode ser colocado em diferentes posições de um feixe de tubos, configurando um tubo único de um feixe de tubos de um trocador de fluxo cruzado.

2. TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM TROCADORES DE FLUXO CRUZADO

A Cilindro perpendicular ao escoamento

A transferência de calor em escoamento cruzado é quantificada por correlações do tipo



onde Nud é o número de Nusselt referenciado ao diâmetro d do tubo, é o número de Reynolds do escoamento referenciado ao diâmetro d do tubo e Pr é o número de Prandtl. Muitas vezes o número de Prandtl não apresenta variação significativa na faixa de aplicação destes trocadores (no caso do ar, Pr = 0,7) e aparece então incorporado na constante C1.


Quando somente um tubo (cilindro) está colocado no escoamento, a seguinte correlação é geralmente aceita:

(3)
Notar que, no caso da transferência de calor para um cilindro isolado, a velocidade usada para calcular o de Reynolds é a velocidade do escoamento não-perturbado que se aproxima do cilindro, V.

Note então que é possível quantificar o processo de transferência de calor que ocorre do cilindro colocado transversalmente no escoamento (e também para um feixe de tubos que constitui um trocador) fazendo-se ensaios para Nu e Re diversos (se Pr não varia) e obter a correlação existente entre eles.

Para comparar a correlação assim obtida experimentalmente, pode-se ter como referência a seguinte correlação, desenvolvida recentemente, e válida para :

(2)
Neste caso aparece a razão entre as viscosidades do ar local , a, e na corrente livre, s.

B Escoamento no feixe de tubos


Para o escoamento de ar através de feixe de tubos de um trocador de fluxo cruzado, geralmente o que se deseja é o valor do coeficiente médio de transferência de calor para o feixe de tubos, e não necessariamente para um tubo isolado. Assim, há que se considerar, também, a posição relativa do tubo no feixe de tubos. O coeficiente de calor associado a um tubo depende de sua posição no feixe. Este coeficiente para um tubo da primeira linha não difere sobremaneira do coeficiente de um único tubo colocado no escoamento, mas taxas de transferência de calor mais intensas estão associadas aos tubos das fileiras internas. Assim, a correlação para cálculo da transferência de calor incorpora um fator que considera a posição do tubo no feixe

(1)

onde Nud é o número de Nusselt referenciado ao diâmetro d do tubo, é o número de Reynolds do escoamento referenciado ao diâmetro d do tubo e calculado com a velocidade máxima do escoamento no feixe de tubos, Pr é o número de Prandtl do ar, no caso, e Fn é o fator que corrige a posição relativa do tubo no feixe. Esta correlação acima é aplicada quando o , e é válida para feixe de tubos não-alinhados.


O número de Reynolds deve ser calculado com velocidade local, Vmáx. Esta velocidade máxima depende, evidentemente, do arranjo dos tubos. No caso do trocador utilizado no presente experimento, com arranjo de tubos não-alinhados, a velocidade máxima ocorrerá no plano transversal ao escoamento (que tem área transversal ao escoamento mínima, veja dimensão ST na Figura 1). Assim, a velocidade máxima será:


onde A é a área livre do duto (65 mm x 150 mm = 9,75 10-3 m2) e Amin (4,16 10-3 m2) é a área mínima de escoamento no feixe de tubos.

3. OBJETIVOS
Esta experiência tem por objetivos:
a) Aplicar conceitos de transferência de calor

b) Medir o processo de transferência de calor de um cilindro aquecido para uma corrente cruzada de ar.

c) Medir o processo de transferência de calor que ocorre em um trocador de calor de corrente cruzada de ar.

d) Comparar valores medidos do coeficiente de transferência de calor convectivo em banco de tubos com correlações apresentadas na literatura.



4. DESCRIÇÃO GERAL DA MONTAGEM
O equipamento que será utilizado é um sistema para ensaio de transferência de calor de um cilindro aquecido para uma corrente cruzada de ar, simulando o processo de transferência de calor em um trocador de correntes cruzadas. Para tanto, um cilindro isolado, ou um cilindro como parte de um feixe de tubos, é colocado no escoamento cruzado de ar. O cilindro, aquecido por efeito Joule e com temperatura medida por um termopar, pode ocupar diferentes posições no banco de tubos, ver Figura 2 na página seguinte.

Os tubos são colocados na seção de teste do equipamento, que é parte de um duto vertical feito de fibra de vidro. No sistema em questão, pode-se ter somente um tubo colocado transversalmente ao escoamento ou pode-se ter um feixe de tubos. Quando somente um tubo é utilizado, ele é uma fonte de calor, e é denominado de elemento ativo. Quando um feixe de tubos é colocado no escoamento, o elemento ativo é um dos tubos, podendo ser colocado em diversas posições do feixe. O elemento ativo é construído em cobre, com as extremidades isoladas, para minimizar efeitos de extremidade na


transferência de calor. Ele é aquecido eletricamente, com potência dissipável ajustada por reostato montado no painel do sistema. Para determinar o fluxo de calor do elemento ativo, multiplica-se sua resistência (70 Ohms) pela diferença de voltagem aplicada. Sua temperatura (superficial) é medida com termopar de 0,10C de precisão, com indicação em milivoltímetro colocado no painel de instrumentos. A temperatura do ar no duto também é medida com termopar e indicada no painel.

O ar, succionado por um ventilador, entra no duto após passar por uma entrada tipo boca de sino. Sua vazão é controlada por um “damper” tipo íris, colocado na extremidade de descarga do duto. A vazão (e então a velocidade) do ar que escoa no duto é medida pela entrada tipo boca de sino, que é acoplada a manômetros. Para medir as quedas de pressão associadas às diferentes faixas de vazão de ar (alcançadas quando um só tubo ou o feixe de tubos está na seção de teste), dois manômetros com diferentes fluidos manométricos e faixas de medição são utilizados.
Valores úteis:

Diâmetro d do elemento ativo: 15,8 mm

Comprimento da seção ativa do elemento ativo: 50 mm

Área de aquecimento do elemento ativo: 2,482 x 10-3 m2

Área de seção transversal do duto: (65 mm x 150 mm): 9,75 x 10-3

Área mínima no feixe de tubos (transversal): 4,16 x 10 –3

Velocidade do ar no duto: V = 74,294(H Ta / Pa)1/2 , H = mmH2O, Ta = oK,

Pa = N/m2 absoluta)



Os valores de condutividade térmica e viscosidade cinemática do ar estão em gráficos no apêndice desta apostila, bem como o fator de correção da transferência de calor, Fn, de posicionamento do tubo no feixe.

5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL


  1. Verifique que o cilindro aquecedor esteja na posição à montante em relação ao escoamento descendente de ar na seção de testes.




  1. Verifique que uma extremidade da mangueira de medida de pressão esteja conectada no manômetro inferior e a outra extremidade na entrada da seção de testes.




  1. Nunca ligue o ventilador antes de verificar que a válvula “damper” tipo iris, localizada na saída do escoamento de ar, esteja na posição de abertura mínima.




  1. Após ligar o ventilador, ajuste a abertura da válvula com diafragma para obter a menor altura manométrica desejada (H = 5 mm H2O).




  1. Selecione a posição 70 V no seletor de voltagem.




  1. Ajuste a voltagem fornecida ao cilindro aquecedor até que a sua temperatura atinja um valor em torno de 60 C. Este ajuste deve ser feito em etapas, aguardando alguns minutos até que a temperatura do cilindro atinja um valor de equilíbrio.




  1. Quando o regime permanente for atingido, registre os valores de Ts, Ta, H e V.




  1. Abra a válvula de diafragma do ventilador até obter o novo valor desejado da altura manométrica (H = 6 mm H2O).




  1. Varie agora novamente a voltagem fornecida ao cilindro para restabelecer, na medida do possível, a temperatura original do cilindro aquecido.




  1. Quando a operação em regime permanente for obtida, registre novamente os valores de Ts, Ta, H e V.




  1. Repita a sequência com incrementos de 1 mm no valor de H até o valor máximo de 10 mm H2O.




  1. Ajuste a voltagem fornecida ao cilindro para um valor mínimo e aguarde o seu resfriamento por alguns minutos.




  1. Ajuste agora o valor da altura manométrica H para o valor 8 mm H2O.




  1. Ajuste a voltagem fornecida ao cilindro até que ele atinja um valor em torno de 60 C.




  1. Registre novamente os valores de Ts, Ta, H e V.




  1. Ajuste a voltagem fornecida ao cilindro para um valor mínimo e aguarde o seu resfriamento por alguns minutos.




  1. Coloque agora o cilindro aquecido na fila a jusante do trocador, movendo o cilindro não aquecido desta fila para a posição anteriormente ocupada pelo cilindro aquecido.




  1. Mantendo o valor de H em 8 mm H2O, repita agora as etapas 14, 15, 16 e 17 até obter as leituras para o cilindro aquecido na sexta fila do trocador de calor.




  1. Ajuste novamente a voltagem fornecida ao cilindro para um mínimo e aguarde o seu resfriamento por alguns minutos.




  1. Desligue a fonte de potência e em seguida o ventilador, fechando também a sua válvula diafragma.


6. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS





  1. Faça um gráfico (log-log) com os valores experimentais do número de Nusselt em função do número de Reynolds para o cilindro aquecido na primeira fila do trocador.




  1. Relacione os seus dados do item anterior na forma da equação Nu = C.Rem.Prn.




  1. Compare, num gráfico, a sua correlação com a correlação Nu = 0,273.Re0,635.Pr0,34.




  1. Faça um gráfico da variação dos valores experimentais de Nu em função da posição na fila do trocador, considerando o número de Reynolds médio no qual as medidas foram tomadas neste caso.




  1. Calcule, através de uma média aritmética, o valor médio experimental de Nu para o cilindro nas primeiras quatro filas do trocador.




  1. Considerando o valor médio de Re em que as medidas das primeiras quatro filas do trocador foram tomadas, compare o resultado do item anterior com a correlação

Nu = 0,273.Re0,635.Pr0,34.Fn

Determine o valor de Fn obtido desta comparação. Compare o valor de Fn com o da curva constante no apêndice.



7. APÊNDICE: VALORES ÚTEIS

Condutividade térmica do ar




Viscosidade cinemática do ar



Fator Fn









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