Avaliação da transferência de calor em tubo disposto em formato helicoidal para aplicação em reforma de etanol embarcada em veículos automotores
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Tipo de produção
Dissertação
Data
2024
Autores
Guain, Aymê Utimati
Orientador
Poço, Guilherme Rocha
Novazzi, L. F.
Novazzi, L. F.
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Citação
GUAIN, Aymê Utimati. Avaliação da transferência de calor em tubo disposto em formato helicoidal para aplicação em reforma de etanol embarcada em veículos automotores. 2024. 77 f. Dissertação (Mestrado em engenharia Química) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2024. Disponível em: https://doi.org/10.31414/EQ.Ano.Tipo.Código do Acervo.
Texto completo (DOI)
Palavras-chave
Transfência de calor,Tubo helicoidal,Coeficiente convectivo
Resumo
A busca por combustíveis renováveis se torna cada vez mais importante devido à preocupação em relação aos impactos ambientais. Tratando-se do motor de combustão interna, no cenário atual, uma das melhores opções de combustível é o etanol; porém, este tem baixo poder calorífico se comparado à gasolina. Esta limitação pode ser contornada promovendo-se a reforma a vapor de etanol para obtenção de hidrogênio, que misturado ao etanol e alimentado ao motor, tem potencial para melhorar o desempenho deste. A reforma a vapor de etanol é conduzida em fase gasosa com alta temperatura, portanto a mistura água-etanol precisa ser vaporizada antes de ser alimentada ao reformador. A ideia é que a reforma aconteça dentro do escapamento do automóvel, utilizando como fonte quente os fumos exauridos da combustão; entretanto, o baixo coeficiente convectivo dos fumos limita a transferência de calor. Dentre as diversas formas de se intensificar a transferência de calor em sistemas tubulares, há a disposição de tubos em formato helicoidal. Neste contexto, a proposta deste trabalho é estimar os coeficientes convectivos externo e interno e analisar a transferência de calor no tubo helicoidal. A estimativa dos coeficientes convectivos foi feita a partir de correlações empíricas e por fluidodinâmica computacional (CFD) utilizando-se o software Ansys Fluent. Nas simulações foram avaliados os efeitos do passo entre as hélices formadas pelo tubo helicoidal, do diâmetro do tubo helicoidal, do ângulo de estreitamento das hélices, do diâmetro das hélices e do diâmetro do escapamento. Os resultados mostram que os coeficientes convectivos previstos pelas correlações empíricas e por CFD são compatíveis entre si. O tubo helicoidal pode aumentar o coeficiente convectivo interno médio em até 40% em comparação ao tubo reto. O passo entre as hélices afeta significativamente o coeficiente convectivo externo; entretanto, não apresenta influência no coeficiente convectivo interno. O estrangulamento do diâmetro do tubo helicoidal pode proporcionar aumento superior a 29% no coeficiente convectivo externo médio. O ângulo de estreitamento das hélices tem potencial para aumentar o coeficiente convectivo externo médio em mais de 27%. O diâmetro das hélices tem impacto significativo em ambos os coeficientes convectivos, sendo os maiores diâmetros capazes de proporcionar coeficientes convectivos externos médios 12% maiores; em contrapartida, menores diâmetros resultam em coeficientes convectivos internos médios 30% maiores. Os resultados experimentais mostram que o ângulo de estreitamento pode intensificar o fluxo de calor em 150% na faixa estudada
The search for sources of renewable fuel has become increasingly important due to concerns about environmental impacts. For internal combustion engines, the best fuel option currently available is ethanol. However, ethanol has low heating value compared to gasoline. This limitation can be solved by promoting the steam reforming of ethanol to produce hydrogen which, when mixed with ethanol, can enhance the engine’s performance. The ethanol steam reforming is conducted in gas phase with very high temperature; therefore, the water-ethanol flow must be vaporized before it is fed to the reactor. The main idea is that the steam reforming would occur inside the vehicle exhaust by using the thermal energy of combustion fumes, however the combustion fumes’ low heat transfer coefficient limits the heat exchange. One of the many ways to increase the heat exchange in tubular systems is the helically coiled tubes. This project proposes to estimate the external and internal heat transfer coefficients and to analyze the heat exchange in a helically coiled tube. The heat transfer coefficients estimate was accomplished using empirical correlations and computational fluid dynamics (CFD) on Ansys Fluent software. These simulations evaluated effects of different coil pitches, helically coiled tube diameters, narrowing angles, coil and exhaust diameters. Results indicate that the heat transfer coefficients calculated through CFD are similar to the ones calculated through empirical correlation. The helically coiled tube can increase the internal average heat transfer coefficient by up to 40% compared to the straight tube. Although the external heat transfer coefficient is significantly affected by the coil pitch, this parameter has no influence on the internal heat transfer coefficient. Narrower helically coiled tube diameters provide 29% higher external average heat transfer coefficients. The angle applied to narrow the helically coiled tube has the potential to increase the external average heat transfer coefficient in more than 27%. The coil diameter has a significant impact on both heat transfer coefficients. Bigger coil diameters can increase the external average heat transfer coefficient in 12% while smaller coil diameters provide a 30% higher internal average heat transfer coefficient. The experimental results indicate that the narrowing angle can increase the heat flux by more than 150% in the analyzed range
The search for sources of renewable fuel has become increasingly important due to concerns about environmental impacts. For internal combustion engines, the best fuel option currently available is ethanol. However, ethanol has low heating value compared to gasoline. This limitation can be solved by promoting the steam reforming of ethanol to produce hydrogen which, when mixed with ethanol, can enhance the engine’s performance. The ethanol steam reforming is conducted in gas phase with very high temperature; therefore, the water-ethanol flow must be vaporized before it is fed to the reactor. The main idea is that the steam reforming would occur inside the vehicle exhaust by using the thermal energy of combustion fumes, however the combustion fumes’ low heat transfer coefficient limits the heat exchange. One of the many ways to increase the heat exchange in tubular systems is the helically coiled tubes. This project proposes to estimate the external and internal heat transfer coefficients and to analyze the heat exchange in a helically coiled tube. The heat transfer coefficients estimate was accomplished using empirical correlations and computational fluid dynamics (CFD) on Ansys Fluent software. These simulations evaluated effects of different coil pitches, helically coiled tube diameters, narrowing angles, coil and exhaust diameters. Results indicate that the heat transfer coefficients calculated through CFD are similar to the ones calculated through empirical correlation. The helically coiled tube can increase the internal average heat transfer coefficient by up to 40% compared to the straight tube. Although the external heat transfer coefficient is significantly affected by the coil pitch, this parameter has no influence on the internal heat transfer coefficient. Narrower helically coiled tube diameters provide 29% higher external average heat transfer coefficients. The angle applied to narrow the helically coiled tube has the potential to increase the external average heat transfer coefficient in more than 27%. The coil diameter has a significant impact on both heat transfer coefficients. Bigger coil diameters can increase the external average heat transfer coefficient in 12% while smaller coil diameters provide a 30% higher internal average heat transfer coefficient. The experimental results indicate that the narrowing angle can increase the heat flux by more than 150% in the analyzed range