Desenvolvimento de um modelo teórico para estimar a distribuição de fluido em canais de trocadores de calor compactos

Abstract

Trocadores de calor compactos são equipamentos caracterizados pelo emprego de mini ou microcanais em seu núcleo. Uma das limitações na modelagem matemática desta classe de trocadores de calor é o fenômeno da má distribuição do fluido nos canais. A maioria dos trabalhos relacionados com transferência de calor e perda de carga consideram uma distribuição uniforme do fluido nos canais, sendo muitas vezes uma consideração errônea. Existem poucos estudos experimentais e numéricos sobre a má distribuição do fluido e atualmente não existe um modelo matemático capaz de prever a distribuição do fluido nos canais do núcleo. O presente trabalho tem como objetivo criar um método para estimar a distribuição de fluido nos canais. O modelo é baseado na teoria do fator de forma, relacionando a porcentagem de radiação entre superfícies com a vazão mássica. O modelo depende da posição dos canais e suas áreas, da superfície de entrada do fluido e da profundidade do bocal de entrada. Para validar o modelo foi realizada uma comparação com diferentes estudos disponíveis na literatura, além de testes experimentais com duas configurações de bocais. O erro médio do modelo original foi de aproximadamente 58% e foi observado que o método não funciona para alguns casos. Visando aprimorar o modelo, foi implementado um método de correção empregando fatores geométricos do bocal. Com isso, o erro médio reduziu para aproximadamente 10,4%, superando a hipótese de distribuição uniforme nos canais, que apresentou um erro médio de 16,6%.

Compact heat exchangers are characterized by employing mini/microchannels in their core. One of the limitations in mathematical models of this heat exchangers class is the fluid maldistribution phenomenon in channels. Most studies of heat transfer and pressure drop consider uniform fluid distribution in channels, which is often an incorrect consideration. There are few experimental and numeric studies focused on estimating the level of fluid maldistribution in the core, however, there is no model to estimate the flow distribution in the core’s channels. The current research aims to create a method to predict the flow distribution in the channels. The model is based on the shape factor theory, relating the radiation percentage between surfaces with the mass flow rate. It depends on the channel's position and area, inlet header surface, and the header’s depth. To validate the model, a comparison with different studies available in the literature was performed in addition to experimental tests with two headers configurations. The original average error of the model was approximately 58% and it was observed that the method was not suitable for the application in some cases. A correction factor based on header’s geometric parameters was developed to improve the model. The relative error was reduced to approximately 10,4%, overcoming the uniform fluid distribution hypothesis that presented an average error of 16,6%.