Análise de correlações para cálculo do coeficiente convectivo em trocadores de calor geotérmico

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dc.contributor.advisorPaulino, Tiago de Freitas
dc.contributor.advisor-coBarbieri, Paulo Eduardo Lopes
dc.contributor.advisor-coLatteshttp://lattes.cnpq.br/9989399943912374
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6949861152810464
dc.contributor.authorAraújo, Pedro Augusto Passos
dc.contributor.refereePaulino, Tiago de Freitas
dc.contributor.refereeBarbieri, Paulo Eduardo Lopes
dc.contributor.refereeFerreira, André Guimarães
dc.contributor.refereeGuzzo, Márcio Expedito
dc.date.accessioned2026-07-24T16:33:27Z
dc.date.available2026-07-24T16:33:27Z
dc.date.issued2026-06-15
dc.description.abstractO aumento da demanda por sistemas de condicionamento de ar em regiões de clima tropical tem impulsionado o desenvolvimento de alternativas energeticamente mais eficientes para rejeição de calor em edificações. Nesse contexto, os trocadores de calor geotérmicos destacam-se como alternativa promissora aos sistemas convencionais com condensação a ar, devido à estabilidade térmica do solo e ao potencial de redução do consumo energético. O presente trabalho teve como objetivo dimensionar um trocador de calor geotérmico aplicado a um sistema de climatização por meio da análise comparativa de diferentes correlações convectivas internas utilizadas na estimativa da transferência de calor turbulenta. Para isso, foi desenvolvido um modelo matemático em linguagem Python 3.12 utilizando as bibliotecas CoolProp e HT, permitindo a avaliação de 22 correlações convectivas disponíveis na literatura técnica. O procedimento de cálculo envolveu a determinação das propriedades termofísicas dos fluidos, o cálculo dos números adimensionais de Reynolds e Nusselt, do coeficiente convectivo interno e da temperatura de saída do fluido. Os resultados demonstraram predominância de escoamento turbulento em todas as condições analisadas, com número de Reynolds variando entre 7654 e 14610. Observou-se elevada influência da correlação convectiva sobre os valores do número de Nusselt, cujas médias variaram entre 22,73 e 421,41. A avaliação estatística foi realizada por meio do desvio médio absoluto (MAD), desvio médio (MD) e erro percentual médio (MPE), comparando os resultados calculados com dados experimentais de referência. Entre as correlações avaliadas, a correlação de Nunner apresentou o melhor desempenho estatístico global, com MAD de 0,4292 °C e MPE de -1,8332%, enquanto a correlação de Webb apresentou o segundo melhor ajuste aos dados experimentais, com MAD de 0,7494 °C e MPE de -3,2759%. Em contraste, a correlação Dipprey–Sabersky apresentou os maiores desvios, com MAD de 1,1898 °C e MPE de -5,2044%. Os resultados evidenciaram elevada sensibilidade do modelo térmico à formulação convectiva empregada, demonstrando que a seleção adequada da correlação exerce influência direta sobre a precisão das previsões térmicas e sobre o dimensionamento de trocadores de calor geotérmicos aplicados à climatização de ambientes em regiões de clima tropical.
dc.description.abstractotherThe increasing demand for air-conditioning systems in tropical regions has driven the development of more energy-efficient alternatives for heat rejection in buildings. In this context, geothermal heat exchangers have emerged as a promising alternative to conventional air-cooled systems due to the thermal stability of the ground and their potential to reduce energy consumption. This study aimed to design a geothermal heat exchanger applied to an air-conditioning system through a comparative analysis of different internal convective correlations used to estimate turbulent heat transfer. A mathematical model was developed in Python 3.12 using the CoolProp and HT libraries, allowing the evaluation of 22 convective correlations available in the technical literature. The calculation procedure included the determination of the fluid thermophysical properties, the calculation of the Reynolds and Nusselt numbers, the internal convective heat transfer coefficient, and the fluid outlet temperature. The results indicated a predominance of turbulent flow under all operating conditions analyzed, with Reynolds numbers ranging from 7,654.80 to 14,610.86. A significant influence of the convective correlation on the Nusselt number was observed, with average values ranging from 22.73 to 421.41. Statistical evaluation was performed using the Mean Absolute Deviation (MAD), Mean Deviation (MD), and Mean Percentage Error (MPE), comparing the calculated results with reference experimental data. Among the correlations evaluated, the Nunner correlation presented the best overall statistical performance, with a MAD of 0.4292 °C and an MPE of -1.8332%, while the Webb correlation provided the second-best agreement with the experimental data, with a MAD of 0.7494 °C and an MPE of -3.2759%. In contrast, the Dipprey–Sabersky correlation exhibited the largest deviations, with a MAD of 1.1898 °C and an MPE of -5.2044%. The findings demonstrated the high sensitivity of the thermal model to the convective formulation employed, showing that the appropriate selection of the convective correlation has a direct impact on the accuracy of thermal predictions and on the design of geothermal heat exchangers applied to air-conditioning systems in tropical climates.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br//handle/123456789/2856
dc.language.isopt
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.departmentDepartamento de Engenharia Mecânica
dc.publisher.initialsCEFET-MG
dc.subjectTrocadores de calor – Teses
dc.subjectEngenharia geotérmica – Taxas – Teses
dc.subjectTransferência de calor – Modelos matemáticos – Teses
dc.subjectCorrelação (Estatística) – Teses
dc.titleAnálise de correlações para cálculo do coeficiente convectivo em trocadores de calor geotérmico
dc.typeTrabalho de Conclusão de Curso da Graduação

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