A Transferência de Calor Computacional

Transferência de Calor Computacional

Luã Barros da Silva

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Introdução

        O uso de tecnologias de simulação computacional em engenharia e nas ciências exatas em geral tem crescido de forma significativa nos últimos anos. Em particular, a evolução dos computadores tem sido responsável por esse crescimento acentuado. Problemas como transferência de calor tem uma complexidade muito alta de cálculos, então o uso de um processamento computacional é extremamente importante para que se possa ter uma aproximação exata e rápida dos resultados desses tipos de problemas.

Aplicação da Transferência de Calor Computacional

        Misturador Estático

        O experimento consistiu em misturar fluidos de temperaturas diferentes e conhecidas e medir a temperatura resultante na saída do misturador (Fig. 1). A mesma situação foi realizada no software, através da criação de uma geometria semelhante e das condições de contorno impostas pelo experimento, comparando assim a temperatura de saída obtida computacionalmente com o resultado experimental.

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Fig. 1 – Representação do Misturador

        Para a execução do experimento foram utilizados 7 L de ´agua aquecidos até 80ºC e mais 7 L de ´agua resfriados até 5ºC. Todo o volume do misturador foi preenchido inicialmente por ´agua a temperatura ambiente e então foram adicionados os 7 L de água de cada lado simultaneamente. Esperou-se um tempo para que toda a água a temperatura ambiente saísse e depois a temperatura da mistura resultante foi medida. A temperatura final medida foi de 40ºC Para realizar a simulação computacional desse caso foi necessário determinar a vazão mássica nas entradas. Para isso, utilizou-se a equação de Bernoulli considerando-se que a velocidade inicial é nula e que as entradas e a saída estão abertas para a atmosfera.

Dessa forma, tem-se:

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Com a velocidade, calculou-se a vazão

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Conhecendo-se os volumes específicos da água para as temperaturas de 80ºC e 5ºC e considerando que a vazão calculada é o dobro da vazão fornecida em cada entrada, tem-se que:

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Com esses dados, foi possível implementar o problema. Na simulação só foi utilizada a região central T do tubo, visto que é o ponto de mais interesse (Figs. 2 e 3). As Figuras 4 e 5 representam os resultados da simulação. Para calcular-se a temperatura na saída foi feita uma m´média ponderada da temperatura. Dessa forma, a temperatura na saída pela simulação foi de 42ºC.

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Fig. 2 – Geometria do tubo utilizado na simulação.

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Fig. 3 – Malha do domínio.

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Fig. 3 – Plano de Temperatura.

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Fig. 4 – Linhas de Corrente.

Fazendo uma análise comparativa entre o resultado experimental e o resultado da simulação, verificou-se que o erro relativo foi de 5%, demonstrando assim a eficiência da simulação numérica para o caso estudado.