Análise numérica e aplicação da teoria construtal para definir o arranjo de blocos inseridos em canais que simulam trocadores de calor de circuito impresso

Abstract

Trocadores de calor do tipo microcanais são dispositivos que permitem obter elevadas taxas de transferência de calor por unidade de volume possuindo grande aplicação na indústria aeroespacial, naval e automotiva. Recentemente, devido à redução dos custos para construção, esses trocadores passaram a ser aplicados em condensadores de refrigeração doméstica. O presente trabalho numérico investiga a construção de um arranjo de blocos quadrados aquecidos e montados em um microcanal bidimensional submetido a escoamentos incompressíveis, laminares, no regime permanente com transferência de calor por convecção forçada. O objetivo é maximizar a taxa de transferência de calor entre os blocos aquecidos e o escoamento circundante. Um algoritmo baseado na Teoria Construtal é empregado para a construção do arranjo do bloco a partir de uma configuração elementar. A evolução é baseada em uma função de construção que utiliza os campos fluidodinâmicos e térmicos para definição da colocação de cada novo bloco elementar na área de ocupação do canal. Foram investigados casos de convecção forçada para três números de Bejan BeL = 2,45 x 104 , 24,5 x 104 e 123,3 x 104 para um número de Prandtl Pr = 0,71. Também foi analisada a influência da distância entre os centros dos blocos D/L = 1, 1,5, 2 e 2,5, assim como a variação do tamanho do elemento construtivo para L = 2,5 mm, 5 mm e 7,5 mm, com D/L = 1,5 constante. Por último, foram analisados a influência do distanciamento entre os blocos com L = 5 mm, agora com o primeiro bloco centralizado na área de ocupação. Para a solução dos escoamentos com transferência de calor por convecção estudados nesse trabalho será empregada a abordagem numérica, onde utiliza-se o método de volumes finitos (MVF) para a solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia. A montagem dos blocos variou no intervalo 1 ≤ N ≤ 12. Os resultados indicaram que o aumento da intensidade do escoamento, assim como um maior distanciamento entre os blocos, ocasionou um aumento da troca térmica entre os blocos e o fluido circundante. Com relação à variação do tamanho do elemento construtivo foi observado que quanto maior o tamanho, maior a área de troca térmica e, consequentemente, são obtidas elevadas taxas de transferência de calor por unidade de comprimento, como também é visível uma maior estabilidade térmica entre os desempenhos extremos obtidos.

Microchannel heat exchangers are devices that allow high rates of heat transfer per unit volume to be applied in the aerospace, naval and automotive industries. Recently, due to reduced construction costs, these exchangers are now being applied to domestic refrigeration condensers. The present numerical work investigates the construction of an arrangement of heated square blocks and mounted in a two-dimensional microchannel subjected to incompressible and laminar flows in the permanent regime with forced convection heat transfer. The purpose is to maximize the heat transfer rate between the heated blocks and the surrounding flow and to analyze to construction of the block arrangement through the application of a construction algorithm based on the Constructural Theory, from an elemental configuration. The evolution is based on an construction function which uses fluid dynamic and thermal fields for definition of each new elementary block in the occupation area of the channel. Cases of forced convection were investigated for three Bejan numbers BeL = 2,45 x 104 , 24,5 x 104 and 123,3 x 104 for a Prandtl number Pr = 0,71. The influence of the distance between the centers of the blocks D/L = 1, 1,5, 2 and 2,5 was also analyzed, as well as the variation of the size of the constructive element for L = 2,5 mm, 5 mm and 7,5 mm, with D/L = 1,5 constant. Finally, the influence of the distance between blocks with L = 5 mm and D/L = 1,5 was analyzed, now with the first block centered in the occupation area. For the solution of the studied convective heat transfer problem, the numerical approach will be used, where the finite volume method (MVF) is used to solve the equations of conservation of mass, momentum and energy. The mounting of blocks varied in the range 1 ≤ N ≤ 12. The results indicated that the increase in the flow intensity, as well as a greater distance between the blocks, caused an increase in the thermal exchange between the blocks and the surrounding fluid. Regarding the variation in the size of the construction element, it was observed that the larger the size, the higher the heat exchange area and, consequently, high heat transfer rates per unit length are obtained, as well as greater thermal stability between the extreme performances obtained.