Análise experimental e simulação CFD de trocadores de calor casco e tubo utilizando Nanofluido de Grafeno
Resumo
Nos últimos anos, o planeta tem enfrentado significativas mudanças climáticas devido
ao aquecimento global, principalmente em decorrência das emissões de poluentes na
atmosfera. O aumento na geração desses poluentes está diretamente ligado à
produção acelerada de energia, resultado da crescente demanda de setores, como as
indústrias, ao longo dos anos. Os trocadores de calor têm enfrentado desafios de
eficiência devido à baixa condutividade térmica dos fluidos convencionais. Com o
objetivo de mitigar as emissões de carbono, através de trocadores de calor mais
eficientes, pesquisas indicam que nanopartículas em suspensão têm grande potencial
para melhorar a transferência de calor. Este estudo compreende uma abordagem
abrangente, combinando testes experimentais e simulações numéricas por meio de
software de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para analisar o desempenho
de um trocador de calor casco e tubo. Na fase experimental, foram realizados testes
em duas partes: inicialmente, variando as vazões para temperaturas de 40, 50 e 60
°C, utilizando água nos circuitos quente e frio. Posteriormente, os experimentos foram
repetidos com a substituição da água por nanofluido de grafeno com concentração de
0,01% no circuito quente, mantendo água no circuito frio. As simulações numéricas
replicaram as condições experimentais, permitindo uma comparação detalhada entre
o desempenho do trocador de calor em diferentes configurações. A análise abrangeu
parâmetros cruciais, como taxa de transferência de calor, coeficiente global de
transferência de calor e a efetividade, visando avaliar a eficiência do sistema ao utilizar
água e, posteriormente, ao incorporar nanofluido de grafeno, proporcionando insights
valiosos para aplicações práticas e otimização de projetos futuros. Os testes
mostraram que, mesmo para baixa concentração, o nanofluido de grafeno mostrou
bons resultados comparados com a água, no trocador de calor casco e tubo e que
essa diferença tende à aumenta em temperaturas mais altas. A concordância entre
experimentos e simulações CFD mostrou a ótima qualidade do modelo utilizado. Por
fim, os resultados destacam o potencial do nanofluido, mesmo em baixas
concentrações, e a utilidade prática do modelo CFD na otimização de trocadores de
calor.
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