Simulação do Fluxo de Condensação e Transferência de Calor em Trocadores de Calor de Tubo Espiral para Misturas de Hidrocarbonetos Não Azeotrópicas

Resumo

Aqui, o artigo apresenta um protocolo para simular numericamente a transferência de calor por condensação e as características de escoamento de misturas hidrocarbonetosas não azeotrópicas em trocadores de calor espiralados. Este método avalia as condições operacionais e de espiralamento para prever os coeficientes de transferência de calor e as quedas de pressão.

Resumo

Como componente essencial do processo de liquefação de gás natural, os trocadores de calor espiralados desempenham um papel crucial na produção de GNL. Para compreender de forma abrangente o escoamento na condensação e as características de transferência de calor de misturas hidrocarbonetosas não azeotrópicas no interior de tubos espiralados. A investigação numérica de alta precisão deste estudo segue um fluxo de trabalho bem definido, que envolve a criação da geometria por meio de uma ferramenta profissional de modelagem, a geração de malha por meio de um software dedicado, o cálculo numérico em um resolvedor comercial (com monitoramento em tempo real da convergência) e o pós-processamento quantitativo. Essa abordagem integrada garante a alta fidelidade do modelo numérico resultante. Os desvios máximos em relação aos dados experimentais clássicos (dados experimentais de Neeraas) permanecem abaixo de 15% para o coeficiente de transferência de calor e abaixo de 10% para o gradiente de queda de pressão friccional. Os resultados da simulação revelam que a variação dos períodos e amplitudes de oscilação produz tendências oscilatórias semelhantes no processo de transferência de calor, exibindo efeitos tanto de intensificação quanto de deterioração. Especificamente, o período de oscilação altera o desempenho da transferência de calor em ±20%, enquanto a amplitude de oscilação o afeta em ±10%.

Introdução

O gás natural, como um combustível fóssil relativamente limpo, emite significativamente menos dióxido de carbono e outros poluentes durante a combustão do que o carvão e o petróleo. Na transição global rumo a sistemas de energia renovável, o gás natural é frequentemente considerado um "combustível de transição" devido à sua capacidade de manter a estabilidade e a confiabilidade do fornecimento de energia¹. Por meio da liquefação, o gás natural na forma gasosa é resfriado até se tornar um líquido criogênico (GNL), reduzindo seu volume em um fator de aproximadamente 600, o que facilita grandemente o transporte e o armazenamento

Protocolo

Como este trabalho se concentra nas características locais de transferência de calor e queda de pressão durante a condensação no interior do tubo helicoidal, um domínio reduzido pode ser empregado uma vez que o escoamento esteja totalmente desenvolvido, permitindo uma representação precisa do comportamento térmico e de escoamento local. Para validação contra dados experimentais, um modelo de tubo helicoidal em três seções é construído com base no modelo físico proposto por Neeraas¹², com diâmetro do tubo de 14 mm, ângulo da hélice de 10° e diâmetro da espira de 2 m. O modelo é composto por três regiões: uma seção de escoamento totalmente desenv....

Resultados

Utilizando o modelo numérico validado, simulou-se o processo real de liquefação para investigar sistematicamente as variações no coeficiente de transferência de calor e na queda de pressão por atrito em diferentes parâmetros operacionais, fornecendo assim uma base teórica para o projeto e a otimização de trocadores de calor. As principais conclusões são resumidas a seguir: na condensação de um fluido puro, a transferência de calor é principalmente confinada à película líquida adjacente à parede do tubo, onde a temperatur.......

Discussão

Fundamental para garantir a confiabilidade da simulação, a configuração de três seções estabelece condições de escoamento completamente desenvolvido a montante da seção de teste e suprime o escoamento reverso na saída, otimizando assim a precisão dos resultados previstos. Esse ponto de vista também foi refletido em estudos anteriores sobre tubos horizontais¹. Durante o processo de geração da malha neste estudo, a altura da malha da primeira camada, o número de camadas limite e o requisito mínimo d.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Fluente	ANSYS	2020r1	software de simulação
SpaceClaim	ANSYS	2020r1	software de modelagem