Análise numérica de um trocador de calor de casco e tubos: efeito das folgas entre os tubos e os orifícios das chicanas na transferência de calor

Abstract

O presente estudo avalia, usando simulações numéricas em CFD, os efeitos da lacuna entre os orifícios das chicanas e o feixe de tubos no processo de transferência de calor em trocadores de calor de casco e tubos, especialmente em relação ao coeficiente convectivo médio no lado do casco. O fluxo de água no lado do casco foi simulado numericamente aplicando-se dois modelos de turbulência, ou seja, k – ε standard e k – ε EARSM (Explicit Algebraic Reynolds Stress Models). Os resultados obtidos em CFD para os valores dos coeficientes convectivos médios foram comparados com resultados da literatura e com resultados analíticos obtidos pelos métodos de Kern e Bell-Delaware, apresentando boa concordância quando as folgas entre os orifícios das chicanas e os tubos são nulas, principalmente para o caso simulado com o modelo de turbulência k – ε EARSM, validando o modelo numérico implementado para avaliações térmicas de trocadores de calor casco e tubos. O estudo mostra que os resultados para os coeficientes médios de convecção no lado do casco obtidos pelos métodos analíticos mencionados apresentam boa concordância com resultados obtidos em CFD, com erros inferiores a 3 %, apenas quando as folgas entre os tubos e os orifícios das chicanas são nulas ou muito pequenas, menores que 0,2 mm. Contudo, para folgas relativamente maiores, acima de 1 mm, acabam superestimando o coeficnete médio de convecção em mais de 14 %, mesmo para o caso do método Bell-Delaware, que prevê fatores de correção para ajustar influência de tais folgas.