Abstract:
O objetivo deste trabalho é realizar a otimização geométrica de um arranjo de tubos submetido a um escoamento externo, visando aumentar a eficiência térmica, i.e., a troca térmica entre os cilindros e o fluido. Considerando um escoamento externo em uma matriz tubular, em tese, cada cilindro pode ser colocado em qualquer posição dentro de uma região pré-definida. Busca-se, no entanto, um arranjo otimizado onde a transferência de calor seja maximizada. Neste trabalho, através da metodologia conhecida como Constructal Design, são “construídos” arranjos otimizados para diferentes condições de escoamento. A eficiência do método é avaliada através da comparação dos resultados obtidos com resultados calculados para arranjos comumente encontrados na literatura. Trata-se de um escoamento forçado, bidimensional, laminar, permanente e incompressível. A área de ocupação dos cilindros é mantida constante, sendo o diâmetro dos tubos D = 0,1m. Quatro restrições para a distância mínima entre os tubos são avaliadas: p = 1D, p = 1,25D, p = 1,5D e p = 2D. Foram realizados estudos em matrizes com até 16 cilindros, sendo avaliada a troca térmica para Número de Reynolds ReD = 10, ReD = 50, ReD = 100 e Número de Prandtl Pr = 0,71. Os resultados obtidos mostram que a restrição de distância e o número de Reynolds possuem influência sobre a formação dos arranjos. Das análises, na maioria dos casos, a restrição 1,5D levou à construção de arranjos mais eficientes termicamente.
The main goal of this work is to perform a geometric optimization of a pipe arrangement subjected to an external flow, aiming to increase the thermal efficiency, i.e., the heat exchange between the tubes and the fluid. Considering an external flow in a tubular array, in theory, each cylinder may be placed in any position within a predefined region. The task is, to determine the optimal arrangement where heat exchange is maximized. In this work, using the methodology known as Constructal Design, optimized arrangements for different flow conditions were tested. The efficiency of the method is evaluated by comparing obtained results with those calculated for arrangements commonly found in the literature. Solution implies a forced flow, two-dimensional, laminar, incompressible and permanent. The occupying area of the tubes is kept constant, and diameter of the tubes is D = 0.1m. Four restrictions to the minimum distance between tubes were evaluated: p = 1D, p = 1.25D, p = 1.5D and p = 2D. Study was conducted with up to 16 tubes array. Simulation were performed for evaluating the heat exchange in Reynolds Number ReD = 10, ReD = 50, ReD = 100 and Prandtl Number Pr = 0,71. Results shown that array formation is highly influenced by the distance constraint and the Reynolds Number. From current analysis, in most cases, solutions with the constraint of 1.5D lead to more efficient arrangements.
