Orientador: Luiz Fernando Milanez

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: A transferência de calor em cilindros horizontais isolados é de grande importância na indústria tanto no caso em que se pretende minimizar a dissipação térmica (quando dutos isolados são usados no transporte de fluidos), como quando se pretende maximizá-la (no caso de cabos de eletricidade...

Resumo: A transferência de calor em cilindros horizontais isolados é de grande importância na indústria tanto no caso em que se pretende minimizar a dissipação térmica (quando dutos isolados são usados no transporte de fluidos), como quando se pretende maximizá-la (no caso de cabos de eletricidade revestidos, por exemplo). Em ambas as situações, convecção natural e radiação térmica estão presentes, podendo ser consideradas como os principais mecanismos envolvidos de dissipação térmica. Normalmente o isolamento térmico é circular e concêntrico ao cilindro. No entanto, o coeficiente convectivo e a temperatura da superfície não são constantes ao redor do cilindro, levando a crer que a adoção de isolantes concêntricos pode não ser o melhor método de se distribuir o isolante. Assim, se um isolamento excêntrico for adotado, a temperatura superficial deve apresentar variação ainda maior, alterando o escoamento ao redor do cilindro e, portanto, as perdas térmicas. No presente trabalho é apresentada uma análise numérica da dissipação térmica em cilindros horizontais isotérmicos isolados excentricamente expostos a convecção natural (Pr= 0,715) e a radiação. A condução na camada de isolante foi resolvida analiticamente (através do uso do sistema de coordenadas bicilíndricas) e integrada numericamente. A partir da temperatura obtida para a superfície externa do isolante, o software PHOENICS foi utilizado para resolver o problema de convecção natural, fornecendo um novo perfil para o coeficiente convectivo. Para cada caso, algumas iterações foram necessárias para se alcançar a convergência. Os parâmetros analisados são a emissividade da superfície externa, a razão entre os raios externo e interno do isolante, a razão entre as condutividades térmicas do isolante e do ar, o número de Rayleigh (definido de forma a ser independente dos outros parâmetros) e a excentricidade do isolante. A dissipação e a temperatura superficial local são mostradas graficamente, assim como os campos de temperatura e velocidade do escoamento. Uma equação é sugerida para a determinação da influência da excentricidade sobre o calor total dissipado em função da razão entre as resistências térmicas de convecção natural-radiação e a resistência térmica de condução, para determinada razão de raios e excentricidade

Abstract: Heat transfer in horizontal insulated cylinders is of importance in industry as when one wants to reduce the heat dissipation (when insulated ducts are used to transport fluids), as when one wants to enhance it (in the case of covered electric cables, for example). In both cases, free...

Abstract: Heat transfer in horizontal insulated cylinders is of importance in industry as when one wants to reduce the heat dissipation (when insulated ducts are used to transport fluids), as when one wants to enhance it (in the case of covered electric cables, for example). In both cases, free convection and thermal radiation are present and can be considered as the main mechanisms of heat dissipation. Generally, the insulating layer is round and is arranged concentrically in the cylinder. However, the heat transfer coefficient and the surface temperature are not constant around the cylinder, raising the point that the use of concentric insulation may not be the best way to arrange the insulating layer. Thus, if an eccentric layer is used, the surface temperature should have a larger variation, changing the flow around the cylinder and, therefore, the heat dissipation. A numerical analysis of the heat dissipation in horizontal isothermal eccentrically insulated cylinders exposed to free convection (Pr= 0,715) and radiation is presented. The conduction through the insulating layer was solved analytically (using the bicylindrical coordinate system) and integrated numerically. From the solution for the surface temperature, the PHOENICS software was used to solve the problem of free convection, giving a new profile for the heat transfer coefficient. For each case, some iterations were necessary to reach convergence. The parameters analyzed were the emissivity of the external surface, the ratio between the outer and the inner radius of the insulating layer, the ratio between the insulation and the air thermal conductivities, the Rayleigh number (defined in such a way to be independent of the other parameters) and the eccentricity of the insulation. The heat dissipation and the surface temperature are shown graphically, as well as the temperature and velocity flow fields. An equation is suggested to define the importance of the eccentricity over the total heat as a function of the ratio between the free convection-radiation thermal resistance and the conduction thermal resistance, for a given ratio of radius and eccentricity