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dc.creatorSantos, Davi Luiz Ramos dos
dc.date.accessioned2025-02-18T18:07:32Z
dc.date.available2025-02-18T18:07:32Z
dc.date.issued2024-01-10
dc.identifier.citationSANTOS, Davi Luiz Ramos dos. Análise experimental e simulação CFD de trocadores de calor casco e tubo utilizando Nanofluido de Grafeno. 2024.59f. Trabalho de Conclusão de Curso, (Curso de Engenharia Mecânica) Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de Pernambuco, Recife. 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ifpe.edu.br/xmlui/handle/123456789/1516
dc.description.abstractIn recent years, the planet has faced significant climate changes due to global warming, mainly as a result of pollutant emissions into the atmosphere. The increase in the generation of these pollutants is directly linked to the accelerated production of energy, a result of the growing demand from sectors, such as industries, over the years. Heat exchangers have faced efficiency challenges due to the low thermal conductivity of conventional fluids. With the aim of mitigating carbon emissions through more efficient heat exchangers, research indicates that suspended nanoparticles have great potential to improve heat transfer. This study comprises a comprehensive approach, combining experimental tests and numerical simulations using computational fluid dynamics (CFD) software to analyze the performance of a shell and-tube heat exchanger. In the experimental phase, tests were carried out in two parts: initially, varying the flow rates for temperatures of 40, 50 and 60 °C, using water in the hot and cold circuits. Subsequently, the experiments were repeated by replacing the water with graphene nanofluid with a concentration of 0.01% in the hot circuit, keeping water in the cold circuit. Numerical simulations replicated the experimental conditions, allowing a detailed comparison between heat exchanger performance in different configurations. The analysis covered crucial parameters such as heat transfer rate, overall heat transfer coefficient and effectiveness, aiming to evaluate the system's efficiency when using water and, subsequently, when incorporating graphene nanofluid, providing valuable insights for practical applications and optimization. of future projects. The tests showed that, even at low concentrations, the graphene nanofluid showed good results compared to water, in the shell and tube heat exchanger and that this difference tends to increase at higher temperatures. The agreement between experiments and CFD simulations showed the excellent quality of the model used. Finally, the results highlight the potential of nanofluid, even at low concentrations, and the practical usefulness of the CFD model in optimizing heat exchangers.pt_BR
dc.format.extent59f.pt_BR
dc.languagept_BRpt_BR
dc.relationABD, A. A.; KAREEM, M. Q.; NAJI, S. Z. Performance analysis of shell and tube heat exchanger: Parametric study. Case Studies in Thermal Engineering, 2018. AKYÜREK, E. F.; GELIŞ, K.; ŞAHIN, B.; MANAY, E. Experimental Analysis for Heat Transfer of nanofluid with Wire Coil Turbulators in a Concentric Tube Heat Exchanger. Results in Physics, v. 9, p. 376-389, 2018. ANDRZEJCZYK, R.; MUSZYNSKI, T. Thermodynamic and geometrical characteristics of mixed convection heat transfer in the shell and coil tube heat exchanger with baffles. Applied Thermal Engineering, 2017. ARAÚJO, E. C. C. Trocadores de calor. Série Apontamentos, EdUFSCAR: São Carlos, 2002. ARSHAD, A.; JABBAL, M.; YAN, Y.; REAY, D.; A Review on Graphene based Nanofluids: Preparation, Characterization and Applications. Journal of Molecular Liquids, v 279, p. 444-484, 2019a. BATISTA, J. N. M. Análise da fluidodinâmica e da transferência de calor em leito de jorro operando com sementes de sorgo utilizando CFD. 2017. 153 f. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós- graduação em Engenharia Química, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2017. BAHIRAEI, M.; SALMI, H. K.; SAFAEI, M. R. Effect of employing a new biological nanofluid containing functionalized grapheme nanoplatelets on thermal and hydraulic characteristics of a spiral heat exchanger. Energy Conversionand Management, v. 180, p. 72-82, 2019a. BIZERRA, A. M. C. O impacto ambiental dos combustíveis fósseis e dos biocombustíveis: as concepções de estudantes do ensino médio sobre o tema. Revista Brasileira de Educação Ambiental (Revbea), São Paulo, v. 13, n. 3, p. 299-315, 2018. BOEHM, H. P.; STUMPP, E. Citation errors concerning the first report on exfoliated graphite. Carbon, v. 45, n. 7, p. 1381-1383, 2007. CARVALHO, P. R. F. Termometria, calorimetria e transmissão de calor. Petrobrás - Unicenp, 2002. 57 COSTA, J. A. P. da; MICHALEWICZ, J. S.; MENEZES, F. D.; LIMA, M. V. F.; OCHOA, A. A. V.; SILVA, J. V. C. Simulação computacional de trocadores de calor casco e tubo utilizando nanofluido como fluido de trabalho. VI Congresso Argentino de Ingeniería Mecânica, Tucumán, 2018. ÇENGEL, A. YUNGUS.; GHAJAR, J. Afshin. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and applications. 4. ed. New York: The McGraw-Hill Companies, 2011. ÇENGEL, A. YUNGUS.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos Fluidos: Fundamentos e aplicações. 4. ed. Porto Alegre: McGraw Hill, 2012. EDWARDS, John E. Design and rating shell and tube heat exchangers. P & I Design Ltd, Teesside, v. 1, n. 29, p.1-30, 2008. ESFAHANI, M. R.; LANGURI, E. M. Exergy analysis of a shell-and-tube heat exchanger using graphene oxide nanofluids. International Journal of Experimental Thermal and Fluid Science, v. 83, p. 100-106, 2017. EPE. Balanço Energético Nacional, 2023. Disponível em: https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/balanco energetico-nacional-2023. Acesso em: 17 nov. 2023 ETTEFAGHI, E.; GHOBADIAN, B.; RASHIDI, A.; NAJAFI, G.; KHOSHTAGHAZA, M. H.; POURHASHEM, S. Preparation and investigation of the heat transfer properties of a novel nanofluid based on grapheme quantum dots. Energy Conversion and Management, v. 153, p. 215-223, 2017. GOUVEIA, Rosimar. Calorimetria. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/calorimetria/. Acesso em: 7 dez. 2023 HAQUE, A. K. M. M.; KIM, S.; KIM, J.; NOH, J.; HUH, S.; CHOI, B.; CHUNG, H.; JEONG, H. Surface modification of Graphene Nanoparticles by Acid Treatment and Grinding Process. Journal of Nanoscience and Nonotechnology, v. 18, p. 645- 650, 2018. HASSAN, NABD, A. A.; KAREEM, M. Q.; NAJI, S. Z. Performance analysis of shell and tube heat exchanger: Parametric study. Case Studies in Thermal Engineering, 2018. AKYÜREK, E. F.; GELIŞ, K.; ŞAHIN, B.; MANAY, E. Experimental Analysis for Heat Transfer of nanofluid with Wire Coil Turbulators in a Concentric Tube Heat Exchanger. Results in Physics, v. 9, p. 376-389, 2018. ANDRZEJCZYK, R.; MUSZYNSKI, T. Thermodynamic and geometrical characteristics of mixed convection heat transfer in the shell and coil tube heat exchanger with baffles. Applied Thermal Engineering, 2017. ARAÚJO, E. C. C. Trocadores de calor. Série Apontamentos, EdUFSCAR: São Carlos, 2002. ARSHAD, A.; JABBAL, M.; YAN, Y.; REAY, D.; A Review on Graphene based Nanofluids: Preparation, Characterization and Applications. Journal of Molecular Liquids, v 279, p. 444-484, 2019a. BATISTA, J. N. M. Análise da fluidodinâmica e da transferência de calor em leito de jorro operando com sementes de sorgo utilizando CFD. 2017. 153 f. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós- graduação em Engenharia Química, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2017. BAHIRAEI, M.; SALMI, H. K.; SAFAEI, M. R. Effect of employing a new biological nanofluid containing functionalized grapheme nanoplatelets on thermal and hydraulic characteristics of a spiral heat exchanger. Energy Conversionand Management, v. 180, p. 72-82, 2019a. BIZERRA, A. M. C. O impacto ambiental dos combustíveis fósseis e dos biocombustíveis: as concepções de estudantes do ensino médio sobre o tema. Revista Brasileira de Educação Ambiental (Revbea), São Paulo, v. 13, n. 3, p. 299-315, 2018. BOEHM, H. P.; STUMPP, E. Citation errors concerning the first report on exfoliated graphite. Carbon, v. 45, n. 7, p. 1381-1383, 2007. CARVALHO, P. R. F. Termometria, calorimetria e transmissão de calor. Petrobrás - Unicenp, 2002. 57 COSTA, J. A. P. da; MICHALEWICZ, J. S.; MENEZES, F. D.; LIMA, M. V. F.; OCHOA, A. A. V.; SILVA, J. V. C. Simulação computacional de trocadores de calor casco e tubo utilizando nanofluido como fluido de trabalho. VI Congresso Argentino de Ingeniería Mecânica, Tucumán, 2018. ÇENGEL, A. YUNGUS.; GHAJAR, J. Afshin. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and applications. 4. ed. New York: The McGraw-Hill Companies, 2011. ÇENGEL, A. YUNGUS.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos Fluidos: Fundamentos e aplicações. 4. ed. Porto Alegre: McGraw Hill, 2012. EDWARDS, John E. Design and rating shell and tube heat exchangers. P & I Design Ltd, Teesside, v. 1, n. 29, p.1-30, 2008. ESFAHANI, M. R.; LANGURI, E. M. Exergy analysis of a shell-and-tube heat exchanger using graphene oxide nanofluids. International Journal of Experimental Thermal and Fluid Science, v. 83, p. 100-106, 2017. EPE. Balanço Energético Nacional, 2023. Disponível em: https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/balanco energetico-nacional-2023. Acesso em: 17 nov. 2023 ETTEFAGHI, E.; GHOBADIAN, B.; RASHIDI, A.; NAJAFI, G.; KHOSHTAGHAZA, M. H.; POURHASHEM, S. Preparation and investigation of the heat transfer properties of a novel nanofluid based on grapheme quantum dots. Energy Conversion and Management, v. 153, p. 215-223, 2017. GOUVEIA, Rosimar. Calorimetria. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/calorimetria/. Acesso em: 7 dez. 2023 HAQUE, A. K. M. M.; KIM, S.; KIM, J.; NOH, J.; HUH, S.; CHOI, B.; CHUNG, H.; JEONG, H. Surface modification of Graphene Nanoparticles by Acid Treatment and Grinding Process. Journal of Nanoscience and Nonotechnology, v. 18, p. 645- 650, 2018. HASSAN, N. M; MARION, B. D. G. Grafeno: Inovações, Aplicações e sua Comercialização. Revista Interfaces Científicas, v.2, n.1, 2006. INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P.; BERGMAN, T. L.; LAVINE, A. S. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. . M; MARION, B. D. G. Grafeno: Inovações, Aplicações e sua Comercialização. Revista Interfaces Científicas, v.2, n.1, 2006. INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P.; BERGMAN, T. L.; LAVINE, A. S. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. KAKAÇ, S. et al. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. 3 ed. Boca Raton: CRC Press, 2012. KREITH, F.; MANGLIK, R. M.; BOHN, M. S. Princípios de Transferência de calor. 7 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2018. NOVOSELOV, K. S.; FALKO, V. I.; COLOMBO, L.; GELLERT, P. R.; SCHWAB, M. G.; KIM, K. A roadmap for graphene. Nature, v. 492, p. 192-200, 2012. MALISKA, C. R. Transferência de calor e mecânica dos fluidos computacional. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. MENDONÇA, Leonardo Henrique Paiva. Grafeno e a sua Produção a Partir da Grafita Natural. 2018. 47 f. TCC (Graduação) - Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais, 2018. MARQUES, S.; HADDAD, J.; MARTINS, S. Eficiência energética. 1 ed. Itajubá: FUPAI, 2007. ÖZERINÇ, S., KAKAÇ, S., & YAZICIOĞLU, A. G. Enhanced thermal conductivity of nanofluids: a stateof-the-art review. Microfluidics and Nanofluidics. v. 8, n. 2, p. 145-170, 2010. PAL, E. et al. CFD simulations of shell-side flow in a shell-and-tube type heat exchanger with and without baffles. Chemical Engineering Science, v. 143, p. 314 – 340, 2016. P. MARTÍNEZ-MERINO, P. ESTELLÉ, R. ALCÁNTARA, I. CARRILLO BERDUGO, J. NAVAS Thermal performance of nanofluids based on tungsten disulphide nanosheets as heat transfer fluids in parabolic trough solar collectors. Solar Energy Materials and solar cells, v. 247, 2022. RICARDO BORDIGNON. Desempenho tribológico de Grafeno funcionalizado como aditivo em óleo lubrificante de baixa viscosidade. 2018. 80f. Dissertação (Mestrado) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Santa Catarina, Santa Catarina, 2018. SEGUNDO, J. E. D. V.; VILAR, E. O. Grafeno: Uma revisão sobre propriedades, mecanismos de produção e potenciais aplicações em sistemas energéticos. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v.11, n. 2, p. 54-57, 2016. SHAH, K. Ramesh.; SEKULIÉ, Dusan. P. Fundamentals of heat exchangers design. 1 ed, Wiley: New Jersey, 2003. SIDIK, N. A. C., MOHAMMED, H. A., ALAWI, O. A., & SAMION, S. A review on preparation methods and challenges of nanofluids. International Communications in Heat and Mass Transfer, v. 54, n. 1, p. 115 - 125, 2014. SILVA, CRISTIANO VITORINO. Introdução ao Ansys CFX. 2019. Apostila, 45 f. SOUZA, Monique Silveira. ANÁLISE TÉRMICA DE UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO CASCO E TUBOS PARA RESFRIAMENTO DO RESÍDUO DE UMA UNIDADE DE DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA. 2013. 55 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013. TU, J.; YEOH, G.; LIU, C. Computational Fluid Dynamics: A Practical Approach. 2 ed. United Kingdom: Butterworth-Heinemann, 2013. 441 p.pt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAn error occurred on the license name.*
dc.rights.uriAn error occurred getting the license - uri.*
dc.subjectTrocador de calorpt_BR
dc.subjectNanofluidopt_BR
dc.subjectSimulação CFDpt_BR
dc.subjectGrafenopt_BR
dc.titleAnálise experimental e simulação CFD de trocadores de calor casco e tubo utilizando Nanofluido de Grafenopt_BR
dc.typeTCCpt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/6667452409709939pt_BR
dc.contributor.advisor1Costa, Jose Ângelo Peixoto da
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7265569987870357pt_BR
dc.contributor.referee1Costa, José Ângelo Peixoto da
dc.contributor.referee2Menezes, Frederico Duarte de
dc.contributor.referee3Lira Júnior, José Claudino de Lira
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4005471052834081pt_BR
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/4005471052834081pt_BR
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/8330992492108309pt_BR
dc.publisher.departmentRecifept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICApt_BR
dc.description.resumoNos 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.pt_BR


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