Análise experimental do campo de pressões flutuantes em bancos de tubos submetidos a escoamento transversal turbulento

Abstract

Bancos de tubos ou de barras são encontrados nas indústrias nucleares e de processos, constituindo-se nos dispositivos mais comumente utilizados no desenvolvimento de trocadores de calor. As tentativas de elevar as taxas de transferência de calor nos trocadores de calor não consideram, como uma prioridade do critério de projeto, os efeitos estruturais causados pelo escoamento turbulento de fluido através do banco de tubos, a menos que ocorram falhas. Com a redução da relação entre passo e diâmetro do banco de tubos (espaçamento relativo), para otimizar o processo de transferência de calor, surgirão cargas dinâmicas, que não estão associadas ao processo de desprendimento de vórtices, como nos bancos de tubos com grandes espaçamentos relativos. Enquanto as cargas estáticas parecem surgir, principalmente, devido à forte queda de pressão que ocorre nas fendas estreitas entre os tubos, em bancos de tubos com pequeno espaçamento relativo, as cargas dinâmicas, provenientes do campo de pressões flutuantes, têm um comportamento aleatório, sem qualquer freqüência característica. As flutuações de pressão resultam das flutuações de velocidade nas diversas posições do campo de escoamento. O propósito desta tese é investigar o comportamento das flutuações de pressão e de velocidade, e sua interdependência, em bancos de tubos com arranjos triangulares e quadrangulares e diversos espaçamentos relativos e, baseado nos resultados obtidos, contribuir para o desenvolvimento dos critérios de projeto destes equipamentos. A seção de testes é constituída por um canal retangular com 1370 mm de comprimento, 146 mm de altura e uma largura máxima (ajustável) de 193 mm. O fluido de trabalho é o ar, impulsionado por um ventilador centrífugo, passando por uma câmara de tranqüilização e um conjunto de grades e telas, antes de alcançar o banco de tubos segundo um ângulo de incidência de 90o e com um valor em torno de 2 % de intensidade da turbulência. Tanto os arranjos triangulares como os quadrangulares possuem relação entre passo e diâmetro P/D = 1,60 , 1,26 , 1,16 e 1,05 com números de Reynolds calculados com base no diâmetro dos tubos (32,1 mm para todas as geometrias) e na velocidade do escoamento nas fendas estreitas entre os tubos, desde Re = 4•104 até 7•104. As velocidades e as flutuações de velocidade foram medidas por um anemômetro de fio quente a temperatura constante, enquanto as flutuações de pressão foram medidas por um transdutor de pressão piezo-resistivo, montado no interior de um dos tubos do banco e conectado a tomadas de pressão por mangueiras plásticas. O tubo instrumentado com o transdutor de pressão nos bancos podia girar de forma que foram efetuadas medições a cada 10o. A sonda de fio quente podia ser movimentada para diversas posições entre dois tubos no banco, ao longo de uma linha na direção do escoamento. A aquisição de dados de flutuações de velocidade e de pressão foi efetuada simultaneamente, para permitir a obtenção de resultados de correlações cruzadas, por uma placa conversora analógico-digital controlada por um micro computador. Os resultados experimentais estão apresentados, na forma adimensional, em médias quadráticas, funções de densidade auto-espectral e funções de correlação cruzada. As médias quadráticas das flutuações de pressão indicam uma distribuição mais uniforme das cargas dinâmicas em torno dos tubos na medida em que a razão P/D é diminuída. O comportamento dos espectros de flutuações de velocidade mostram diferentes decaimentos para os arranjos triangulares e quadrangulares, com valores decrescentes na medida em que a razão P/D é reduzida. A análise dos resultados dos espectros de flutuações de pressão mostra exponentes de -1 e -10/3, sendo a extensão da faixa deste último, maior para as maiores razões P/D. Os picos correspondentes ao processo de desprendimento de vórtices aparecem somente no arranjo com a maior relação P/D. Reduzindo a razão P/D, observa-se um aumento na energia dos menores vórtices do escoamento turbulento, degenerando em turbulência de banda larga. Os coeficientes de correlação cruzada entre flutuações de velocidade e de pressão diminuem enquanto a razão P/D aumenta. A análise dos resultados experimentais permite a identificação dos principais aspectos do processo de excitação das vibrações induzidas pelo escoamento em bancos de tubos conduzindo a recomendações para o projeto destes equipamentos.

Banks of tubes or rods are found in the nuclear and process industries, being the most common device used in the development of heat exchangers. Attempts to increase heat exchange ratios in heat transfer equipments do not consider, as a priority of project criteria, structural effects caused by the turbulent fluid flow across the tube bank, unless failures occur. By reducing the aspect ratio (pitch-to-diameter ratio) of a tube bank, to improve the heat transfer process, dynamic loads will appear, which are not associated to vortex shedding, as in large aspect ratios tube banks. While static loads seem to appear mainly due to the strong pressure drop which occurs in the narrow gaps between the tubes, in small aspect ratio tube banks, dynamic loads, arising from the fluctuating pressure field, have a random behavior, without any characteristic frequency. Pressure fluctuations result from velocity fluctuations at several positions of the flow field. The purpose of this thesis is to investigate the behavior of pressure and velocity fluctuations, and their interdependence, in tube banks with triangular and square arrangements and several aspect ratios and, based on the obtained results, to contribute for the development of the design criteria of these devices. The test section is a 1370 mm long rectangular channel, with 146 mm height and a maximal (adjustable) width of 193 mm. Air is the working fluid, driven by a centrifugal blower, passed by a settling chamber and a set of honeycombs and screens, before reaching the tube bank at an incidence angle of 90o and about 2 % turbulence intensity. Both triangular and square arrangements have pitch-to-diameter ratios P/D = 1.60, 1.26, 1.16 and 1.05 with Reynolds numbers, calculated with the tube diameter (32.1 mm for all geometries) and the velocity of the flow in the narrow gap between the tubes from Re = 4•104 to 7•104. Velocity and velocity fluctuations were measured by a constant temperature hot wire anemometer, while pressure fluctuations were measured by a piezo-resistive pressure transducer mounted inside one of the tubes in the bank and connected to pressure taps by plastic tubes. The tube instrumented with the pressure transducer in the banks could be rotated, so that measurements at each 10o were performed. The hot wire probe could be moved to several positions between two tubes in the bank, along a line in the flow direction. Data acquisition of velocity and pressure fluctuations was performed simultaneously, to allow cross-correlations results, by an analog-to-digital converter board controlled by a personal computer. Experimental results are presented in form of dimensionless RMS values, autospectral density functions and cross-correlation functions. RMS values of pressure fluctuations indicate a more uniform distribution of dynamic loads around the tubes as the P/D ratio decrease. Behavior of the velocity fluctuation spectra show different decay for triangular and square arrays, with decreasing values as the P/D ratio is reduced. Analysis of the results of spectra of pressure fluctuations shows exponents of -1 and -10/3, being the extension range of the latter larger for the widest P/D ratios. Peaks corresponding to vortex shedding appear only at the bank with the largest P/D ratio. By reducing the P/D ratio an increase on the energy of the smallest eddies of the turbulent flow is observed, degenerating in to broad band turbulence. Cross-correlation coefficients between velocity and pressure fluctuations decrease as the P/D ratio is increased. Analysis of the experimental results allows the identification of the main features of the excitation process of flow induced vibrations in tube banks leading to recommendations for the design of these equipments.