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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2017.tde-24122016-071504
Document
Author
Full name
Felipe Costa Magazoni
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2016
Supervisor
Committee
Cabezas Gómez, Luben (President)
Hernandez Neto, Alberto
Kanizawa, Fábio Toshio
Souza, Leandro Franco de
Tibiriçá, Cristiano Bigonha
Title in Portuguese
Modelagem computacional do desempenho térmico de trocadores de calor de fluxo cruzado e casco e tubos
Keywords in Portuguese
Casco e tubo
Efetividade
Fator de correção
Fluxo cruzado
Metodologia
Simulação
Trocador de calor
Abstract in Portuguese
O presente trabalho descreve e introduz uma metodologia numérica de simulação térmica de trocadores de calor de fluxo cruzado e de casco e tubo. A metodologia computacional é utilizada para simular doze configurações de arranjos de escoamento de trocadores de calor de fluxo cruzado com número de passes e tubos por passe arbitrários, assim como diversas condições de mistura de ambos os fluidos. O procedimento computacional é desenvolvido, baseado em diversos trabalhos da literatura, para calcular a efetividade de temperatura e o fator de correção da diferença média logarítmica de temperatura para trocadores de calor de fluxo cruzado em escoamentos contracorrente e paralelo. Novos dados da efetividade de temperatura e do fator de correção para configurações complexas de trocadores de calor são apresentados em diversas tabelas e figuras. As condições de mistura do fluido interno depois de cada passe são analisadas e caracterizadas por três configurações: misturado, não misturado com uma ordem idêntica das fileiras e não misturado com uma ordem inversa das fileiras. A influência da mistura do fluido externo entre os tubos do trocador de calor também é analisada. A metodologia computacional também é utilizada para trocadores de calor de casco e tubo tipo TEMA E com um passe de ambos os fluidos (fluidos do casco e dos tubos) em escoamentos contracorrente e paralelo de acordo com as entradas do trocador de calor. O algoritmo é baseado em diversas hipóteses e considerações de modelagem adotadas em diversos trabalhos de trocadores de calor de fluxo cruzado e de casco e tubo. Cada seção entre as chicanas é idealizada como um trocador de calor não misturado - não misturado. Além disso, este estudo fornece um sumário de correlações matemáticas exatas e aproximadas para algumas configurações de trocadores de calor de fluxo cruzado e de casco e tubo, que são muito apropriadas para análises computacionais e que facilitam o cálculo de efetividade de temperatura e do fator de correção. Os resultados encontrados são comparados com o algoritmo HETE e com soluções e relações matemáticas disponíveis em outras literaturas e mostram a capacidade dos algoritmos desenvolvidos.
Title in English
Numerical methodologies for thermal performance of crossflow and shell-and-tube heat exchangers
Keywords in English
Correction factor
Crossflow
Effectiveness
Heat exchanger
Methodology
Shell-and-tube
Simulation
Abstract in English
The present thesis describes and introduces the numerical simulation methodologies for thermal modeling of crossflow and shell-and-tube heat exchangers. The computational methodology is used for simulating twelve general flow arrangement configurations of crossflow heat exchangers with arbitrary number of passes and tubes per pass, as well as, several mixture conditions of both fluids. The computational procedures are developed, based on some works from literature, to calculate the temperature effectiveness and the mean logarithm temperature difference (MLTD) correction factor for crossflow and parallel and counter-crossflow heat exchangers. New temperature effectiveness and correction factor data for the treated complex flow arrangements configurations are provided and showed in various tables and plots. Tube fluid mixing conditions after each pass, characterized by three types of configuration: tube fluid mixed; tube fluid unmixed keeping identical order of the rows; and tube fluid unmixed with inverted order of the rows, are analyzed. The influence of external fluid mixing between tube rows along the heat exchanger configurations is also addressed. The computational methodology is also addressed to TEMA E shell-and-tube heat exchangers type with one-pass of both fluids (in-tube and shell side) flowing in counterflow and parallel regarding the heat exchangers inlets. The algorithm is based on various assumptions and modelling considerations adopted in several works of crossflow and shell-and-tube heat exchangers. Each section between two baffles is idealized as an unmixed-unmixed crossflow heat exchanger. In addition, this study provides a summary of exact and approximate correlations for some configurations of crossflow and shell-and-tube heat exchangers, that are very appropriate for computerized analysis and that facilitate the computation of both parameters, the temperature effectiveness and the mean logarithmic temperature difference correction factor. The results found are compared to algorithm HETE and with available relations and solutions of other works and show the capability of the developed algorithm.
 
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main.pdf (2.80 Mbytes)
Publishing Date
2017-01-17
 
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