TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM JATOS ESPIRALADOS

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1 ILHA SOLTEIRA XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de Ilha Solteira - SP Paper CRE05-TC11 TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM JATOS ESPIRALADOS Gabriel P. C. Pinto, Juliana K. Abrantes e Luís F. A. Azevedo PUC-Rio, Pontifícia Universidade Católica Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecânica Rua Marquês de São Vicente, 225, Bairro Gávea, CEP , Rio de Janeiro, RJ para correspondência: gabrielpcp@yahoo.com.br Introdução Jatos incidentes sobre superfícies produzem as mais altas taxas de transferência de calor e massa que podem ser obtidas em condições de escoamento monofásico. Por esta razão, esta configuração é largamente encontrada em aplicações industriais como, secagem de papel e tecido, aquecimento e resfriamento de metais, produção de vidros temperados, resfriamento localizado de componentes eletrônicos de alta potencia e resfriamento de palhetas de turbinas. Além de sua importância prática, jatos incidentes em superfícies sólidas continuam a receber considerável atenção na literatura em estudos focados nas características fundamentais do escoamento, desde que sua simples geometria apresente diversos tipos de escoamento de interesse. Certamente, na configuração de um escoamento de jato incidente se encontra um núcleo, uma zona de estagnação. Todos estes são escoamentos ricos do ponto de vista dos fenômenos básicos envolvidos, especialmente para o caso de regime turbulento. Por causa disso, o jato incidente sobre superfícies tem sido utilizado como teste para modelos computacionais que buscam prever o comportamento turbulento do escoamento (Cooper et al., 1993). No presente trabalho adicionou-se um elemento a mais de complexidade ao escoamento, através da introdução de uma componente circunferencial de velocidade ao jato. Como será mostrado ao longo do texto, a presença desta componente que caracteriza o jato espiralado produz alterações importantes na estrutura do escoamento com implicações diretas nos mecanismos de troca térmica ou de massa. Uma revisão da literatura mostra um significante número de estudos para uma clássica configuração de jatos incidentes não-espiralados. Os trabalhos de Martin (1977) e de Downs e James (1987) reviram os estudos conduzidos apresentando a influencia nas características de transferência de massa e calor de um número de parâmetros. Entre os trabalhos citados, uma menção especial deve ser dada ao trabalho pioneiro de Gardon e Akfirat (1965) onde pequenos medidores de fluxo de calor local foram desenvolvidos e utilizados para medir, pela primeira vez, a variação radial do número de Nusselt. Os picos observados na distribuição do numero de Nusselt foram associados à intensidade de turbulência na parede de incidência. As novas ferramentas computacionais e experimentais foram usadas para revelar detalhes do campo de escoamento e transferência de calor ou massa característicos de jatos incidentes. Como exemplos dessas investigações mais recentes, nós podemos citar os trabalhos de Lyttle e Webb (1991) e os trabalhos de Azevedo et al. (1995), Fairweather e Hargrave (2002), e Geers et al. (2004). O paper de Cooper et al (1993) apresenta uma avaliação excelente dos modelos de turbulência aplicados em jatos incidentes. A primeira referencia para jatos incidentes espiralados encontrado na literatura, está no trabalho de Martin (1977). Neste trabalho, o autor menciona sem entretanto apresentar dados numéricos, que a presença da componente circunferencial da velocidade não produz mudanças significativas na transferência de calor ou massa. Ward e Mahmood (1982), no entanto, apresentam conclusões diferentes das de Martin, indicando que a presença do escoamento espiralado reduz significativamente a troca de calor ou massa. Motivados por esta contradição na literatura, Azevedo et al. (1995), empregaram a técnica de sublimação de naftaleno com a técnica de visualização de superfície para demonstrar que, em geral, a presença de uma componente circunferencial no escoamento produz uma diminuição nos coeficientes de troca de massa quando comparados ao caso base sem escoamento espiralado. Em particular os autores verificaram uma significativa diminuição do valor dos coeficientes de troca de massa na região de estagnação do jato. Este decréscimo foi creditado a uma diminuição na velocidade axial do jato com o aumento da intensidade de swirl.

2 Um dos resultados mais interessantes destes trabalhos foi a identificação da formação de zonas de recirculação na região de estagnação. Embora somente as pegadas destas zonas fossem registradas pela técnica de visualização de superfície empregada, os autores sugeriram que um vortex toroidal estava presente na região de estagnação. Recentemente Nozaki et al. (2003) combinaram as técnicas de medição de campo global de velocidade (PIV) e temperatura (LIF) para a medição simultânea de campos de velocidade e temperatura, mas com um Número de Reynolds relativamente baixo (Re=4000). O trabalho confirma a existência de uma zona de recirculação na região de estagnação indicando que o comportamento dinâmico das zonas de recirculação é o fator determinante na troca de calor turbulenta na região de estagnação. Objetivo A revisão bibliográfica apresentada mostrou que ainda são poucos os trabalhos realizados sobre a influência da presença de uma componente circunferencial em jatos incidentes. O presente trabalho faz parte de uma de pesquisa mais ampla onde as características de escoamento e transferência de calor de jatos espiralados são determinadas. Neste trabalho apenas os resultados de transferência de calor são apresentados. Metodologia A seção de teste esquematizada a seguir na Fig. 1 foi projetada para permitir a medição dos coeficientes locais de transferência de calor. A técnica de medição de velocidade que foi utilizada, não apresentada no presente trabalho, requerer a inserção de partículas no escoamento. A seção de teste foi projetada para produzir um fluxo de jato por sucção. Desta maneira, as partículas inseridas podiam ser facilmente levadas para fora do laboratório. Figura 1 Visão esquemática da seção de teste Como visto na Fig. 1, o ar sugado por um ventilador na parte inferior de uma grande câmara era forçado a entrar no alto da câmara formando o jato. A câmara de testes tinha dimensões de 900 x 600 x 600 mm (altura x largura x profundidade). O ar passava por uma seção uniformizadora, por uma seção geradora de escoamento espiralado, por uma seção reguladora da intensidade de swirl e pela tubulação de teste. Após ter deixado a tubulação de teste, o ar incidia ortogonalmente sobre uma placa sanduíche. A placa foi montada em uma sustentação que permitisse o nivelamento da placa e o ajuste da distância jato-placa. Os dois diâmetros de jatos usados foram: 13 e 22 mm. A câmara geradora de swirl foi feita de um tubo de bronze fechado em sua extremidade superior e aberto em sua extremidade inferior. Na superfície lateral deste tubo, oito colunas de 25 furos foram perfuradas, espaçadas circunferencialmente iguais. Com esta geometria, o ar sugado pelo ventilador penetra tangencialmente na câmara geradora produzindo o escoamento espiralado

3 desejado que entra no tubo. Entre a parte inferior da câmara geradora de swirl e o plano de entrada do tubo, uma câmara reguladora de swirl foi instalada. Esta câmara era simplesmente um jogo de tubos de PVC com comprimentos diferentes que poderiam ser unidos dando forma a tubulações retas com comprimentos diferentes. Aumentando o comprimento dos tubos que formam a câmara reguladora, diminuía-se a intensidade de swirl. Como mostrado na Fig. 1, a seção uniformizadora e a câmara geradora de swirl foram abrigadas em uma câmara cilíndrica fechada no fundo, mas permitindo a conexão da tubulação de teste. O alto da câmara foi fechado por uma placa perfurada que permitisse a entrada do ar do laboratório sugado pelo ventilador. Uma tubulação flexível com 75 mm de diâmetro, foi conectada a um furo no centro da placa perfurada. A tubulação flexível foi conectada a unidade geradora de aerossol usada para produzir as partículas. As partículas usadas nas experiências eram gotas de azeite de oliva com diâmetro na escala de 1 a 2 μm. Após deixar a unidade geradora, o ar que carregava as gotas passava por uma unidade impactadora que removia as gotas de maior diâmetro, e assim finalmente as menores eram conduzidas ao alto da câmara cilíndrica. A vazão de ar através da tubulação foi medida por um rotâmetro calibrado. A vazão foi ajustada controlando a velocidade do motor elétrico do ventilador. Um inversor de freqüência foi usado com essa finalidade. Para medição de coeficientes locais de transferência de calor foi utilizada uma placa sanduíche, Fig. 2, de 400 x 400 milímetros. A placa foi formada por uma placa de Celeron com 5 mm de espessura aparafusada a uma placa de acrílico com 12 mm de espessura. Entre o Celeron e o acrílico uma placa de estireno com 25mm de espessura foi introduzida para diminuir as perdas de calor. O elemento de aquecimento era uma folha de aço inox com mm de espessura com dimensões de 200 x 500 milímetros (largura x comprimento) colada à placa de Celeron. As bordas da folha foram conectadas a uma fonte de alimentação DC, desse modo produzindo uma condição térmica de fluxo constante de calor para a experiência. Setenta termopares de Cromel-Constantan com mm de diâmetro foram instalados na superfície traseira da folha de aquecimento. Os termopares foram instalados em furos previamente efetuados na placa de Celeron. Um cimento condutor térmico foi usado para fixar os termopares. Um procedimento de alinhamento foi conduzido antes de cada aquisição de dados para garantir que a linha de centro do jato estivesse posicionada diretamente acima do termopar central. Um segundo jogo dos termopares foi usado para verificar a simetria circunferencial dos dados. As leituras dos termopares foram feitas somente na condição de regime permanente por um sistema de aquisição de dados Agilent Figura 2 Placa Aquecedora O jato incidente espiralado e a transferência de calor são,caracterizados por quatro parâmetros principais: o número de Reynolds do jato, a distancia jato-placa, o número de swirl e o número de Nusselt.

4 A forma e o nível da intensidade de turbulência do perfil da velocidade que sai do jato são também relevantes. O número de Reynolds foi avaliado diretamente da vazão medida no rotâmetro, ρu j d 4ρQ Re = = (1) μ πdμ onde Q é a vazão, ρ, a densidade do ar, d, diâmetro do jato, Uj a velocidade média de saída do jato, e µ a viscosidade do ar. A intensidade do escoamento espiralado é caracterizada pelo número de swirl, dado pela razão do fluxo de quantidade de movimento angular, G φ,, pelo fluxo de quantidade de movimento linear, G x, multiplicado pelo raio do jato, r. Assim, Gϕ 2 2 S =, com Gϕ = 2π rg x ρuwr dr, e G x = 2πρ U rdr (2) onde, U e W são, respectivamente, a média temporal axial e as componentes circunferenciais de velocidade do fluido. O número de Nusselt local foi calculado a partir da Eq. (3), e é um número adimensional indicativo da intensidade do processo de transferência de calor. Ele é avaliado dividindo o fluxo local de calor por unidade de área de folha aquecida, q", pela diferença local da temperatura entre a placa e o fluido, (T(r) - Tj), e multiplicando-a pela relação entre o diâmetro do jato e a condutividade térmica do ar, k. Assim, q' ' d Nu( r) = ( T ( r ) T j ) k (3) Resultados Os resultados experimentais para transferência de calor local serão apresentados a seguir. Devido às limitações de espaço, todos os experimentos foram conduzidos para Re = Foram conduzidos experimentos para dois valores de H/d (2 e 6), onde H é a distância entre a saída do jato e a placa e d é o diâmetro interno do tubo, e utilizou-se três valores do número de swirl, S, correspondendo a um jato de ar convencional, S = 0; e os que impõem uma componente circunferencial ao jato, S = 0,3 e S = 0,5. Nós apresentaremos agora os resultados obtidos para transferência de calor local na placa de incidência. Estes são a distância jato-placa de H/d = 6, e a intensidade intermediária de swirl de S = 0.3. Nos perfis radiais do número de Nusselt local apresentados em função da coordenada radial adimensional, os símbolos abertos representam os resultados para H/d = 6, enquanto que os símbolos sólidos representam os resultados para H/d = Nu H/d=2, S=0 H/d=2, S=0.3 H/d=2, S=0.5 H/d=6, S=0 H/d=6, S=0.3 H/d=6, S= r/d Figura 3 Distribuição Radial do Número de Nusselt local, Re=21,000. Símbolos sólidos - H/d=2, símbolos abertos- H/d=6.

5 Começando com a análise dos casos sem swirl, pode-se ver que o pico do número de Nusselt local situado no ponto de estagnação para H/d = 6, diminui na direção da coordenada radial. Com a diminuição da distância jato-placa para H/d = 2 o número máximo de estagnação está ainda no ponto de estagnação, mas é um tanto mais baixo do que o valor medido para H/d = 6. Um pico secundário na distribuição de Nu é encontrado em torno de r/d = 2. Deste ponto, uma diminuição é observada e os valores de Nu tendem ao mesmo valor encontrado para H/d = 6. Uma explicação plausível para o valor mais elevado de Nu na estagnação para H/d = 6, está ligada ao aumento do nível de turbulência na direção axial, gerada pela camada cisalhante livre. No caso de H/d =6, a camada de mistura penetra até a linha de centro do jato, aumentando os níveis de intensidade de turbulência na região de estagnação. Quando a distância jato-placa for encurtada para H/d=2, a interação entre a camada cisalhante e o núcleo do jato é atenuada, isto é, este processo é interrompido pela presença da placa. Enquanto que o pico secundário na distribuição do número de Nusselt para H/d = 2, pode ser associado com a região onde a intensidade radial de turbulência é mais elevada. O comportamento da distribuição de Nu descrita apenas para o caso sem swirl, está de acordo com a literatura, Lyttle e Webb (1991). A introdução de uma componente de velocidade espiralada no jato diminui significativamente o Nu local na estagnação. Certamente, na Fig. 3 verifica-se uma diminuição de aproximadamente 40% quando o número de swirl é aumentado de 0 a 0.5, para H/d = 2. Para H/d = 6 o valor desta diminuição alcança 60%. Esta diminuição de Nu na estagnação pode ser associada com o enfraquecimento da velocidade axial devido à formação das zonas de recirculação na região de estagnação, e também com os valores mais baixos da intensidade de turbulência nesta região. A distribuição de Nu para H/d = 6 que é monotônico para S = 0, indica pontos de máximo quando a componente circunferencial está presente. As posições destes máximos coincidem com os picos das intensidades de turbulência, mas não são mostrados no presente relatório. Para o caso de H/d = 2, as distribuições de Nu apresentam picos bastante atenuados. Para S = 0.3, por exemplo, o valor de pico situado aproximadamente em r/d = 1, alcança um valor que é 25% maior que o Nu de estagnação para o caso sem swirl, significando que o swirl pode certamente aumentar a transferência de calor em posições radiais particulares. Conclusão Neste trabalho foram investigadas as características de transferência de calor de um jato espiralado incidindo sobre uma placa plana. Os Resultados de transferência de calor locais foram obtidos utilizando a seção de testes para uma condição de fluxo de calor constante na placa. Tendo em vista as limitações de tempo para o trabalho, e a quantidade de dados gerados a partir da técnica de medição selecionada, não foi possível realizar um estudo paramétrico completo do problema. Assim, foram investigadas configurações formadas pelas distâncias adimensionais jato-placa, H/d, iguais a 2 e 6, pelas intensidades do escoamento espiralado, dadas pelos números de swirl, iguais a 0, 0.3 e 0.5, e para um único número de Reynolds, igual a A presença de uma componente circunferencial de velocidade superposta ao escoamento do jato gera zonas de recirculação na região central do escoamento e por isso reduz significativamente o número de Nusselt na região de estagnação. Foi observado que o aumento da distância entre o jato e a placa também afeta significativamente as distribuições no número de Nusselt local. Os resultados para o campo de velocidade turbulenta junto à placa aquecida obtidos, mas não apresentados aqui, indicam que os picos na distribuição de Nusselt local estão associados a picos na intensidade de turbulência do escoamento. Como resultado deste trabalho foi gerado um detalhado banco de dados que pode ser utilizado para a validação de modelos numéricos. Como recomendação para trabalhos futuros, pode-se sugerir a realização de experimentos investigando uma faixa mais ampla dos parâmetros que governam o problema. Referências Bibliográficas Almeida, J.A., Azevedo, L. F. A., Flow Visualization Study of Swirling Jet Impingement, XIII Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, Belo Horizonte, MG, 1995 (CD-ROM). Christensen, K.T., The Influence of Peak-Locking Errors on Turbulence Statistics computed from PIV Ensembles, Experiments in Fluids, 2004, vol.36, pp Cooper, D., Jackson, D.C., Launder, B. E., Liao, G. X., Impinging Jet Studies for Turbulence Model Assessment I. Flow Field Experiments, International Journal of Heat and Mass Transfer, 1993, vol. 36, No. 10, pp

6 Downs, S.J., James, E.H., Jet Impingement Heat Transfer A Literature Survey, ASME Paper No 87 HT 35, ASME, Fairweather, M., Hargrave, G. K., Experimental Investigation of an Axisymmetric, Impinging Turbulent Jet. 1. Velocity Field, 2002, Experiments in Fluids, vol.33, No. 3, pp Gardon, R., Akfirat, J.C., The Role of Turbulence in Determining the Heat Transfer Characteristics of Impinging Jets, International Journal of Heat and Mass Transfer, 1965, vol.8, pp Gears, L. F. G., Tummers, Hanjalic, K., Experimental Investigation of Impinging Jet Arrays, Experiments in Fluids, 2004, 36, pp Lyttle, D., Webb, B.W., Secondary Heat Transfer Maxima for Air Jet Impingement at Low Nozzle-to-Plate Spacings, 2nd World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Iugoslávia, 1991, pp Martin, H., Heat and Mass Transfer Between Impinging Gas Jets and Solid Surfaces, Advances in Heat Transfer, 1977, pp Nozaki, A., Igarashi, Y. e Hishida, K., Heat Transfer Mechanism of a Swirling Impinging Jet in a Stagnation Region, Heat Transfer Asian Research, 2003, vol. 32, No. 8. Raffel M., Willert C., Kompenhans J., Particle Image Velocimetry A Practical Guide, Ed. Springer. Ward, J., Mahmood, M., Heat Transfer from a Turbulent, Swirling, Impinging Jet, 7th Int. Heat Transfer Conference, 1982, pp