Experimental and numerical study of formation of Frost around three cylinders arrangement

O fenômeno de formação de frost é encontrado em muitas aplicações comerciais e industriais de baixa temperatura. A camada de gelo que se forma em uma superfície fria cresce ao longo do tempo, tornando-se mais densa e por este motivo, a formação de frost em equipamentos é responsável pela queda no seu desempenho. O processo de formação de frost é um fenômeno transiente e complicado de avaliar, no qual os processos de transferência de calor e de massa ocorrem simultaneamente em um meio poroso. Neste trabalho apresentam-se medições experimentais da espessura de frost ao redor de cada um dos tubos de um arranjo triangular de cilindros verticais, realiza-se a estimação experimental de uma correlação empírica para a obtenção do número de Nusselt Global sobre o arranjo de tubos com formação de frost baseada nas medições experimentais feita numa seção de teste no interior de um túnel de vento do Laboratório de Armazenamento térmico e tubos de Calor da FEM. Para verificação é feita a estimação de uma correlação empírica para o Número de Nusselt Local em cada cilindro baseado em dados empíricos da literatura e um procedimento inverso de aproximação sucessiva utilizando a solução numérica unidimensional que simula o problema direto de formação de frost em geometria cilíndrica. O mesmo procedimento utilizando os dados experimentais deste trabalho. Encontra-se que os valores dos Números de Nusselt para as duas formas de estimação tem boa concordância. Comparações dos resultados numéricos e experimentais são realizadas e mostra-se boa concordância dos resultados das simulações numéricas para o crescimento da camada de frost utilizando ambas as correlações empíricas.In practice, it is found the phenomenon of frost formation in a lot of commercial and industrial refrigeration applications. The layer of ice that it is formed in a cold surface grows over time, becoming more dense and bigger, and for that reason, this formation of frost in refrigeration equipment is responsible for performance decrease in this equipment. The formation of frost is a complicated and transient process, where different process of heat transfer and mass occurs simultaneously in a porous and fine layer. The convective and mass diffusive coefficients are difficult to determinate in fact of the complex physic phenomenon and the variation of the different properties that occurs over time like velocity, temperature, humidity and the geometry of this problem himself. In this work some experimental results of the frost thickness around every cylinder in a triangular arrangement of vertical cylinders are presented, an estimated experimental correlation in order to find Nusselt Global number in this triangular arrangement of cylinders is presented. This correlation is based in the experimental measurements in a wind tunnel situated in the Laboratory of Thermal storage and Fluids in FEM. In order to verify this correlation, another empiric correlation have been estimated in order to find the Nusselt number Global and Local in each cylinder. In this case, it is used data reported in the literature and an inverse method that approximates the numerical solution in one dimension that simulates this problem in cylindrical frost formation geometry. Then the same procedure has been made using the experimental results founded in this work. The different results of the two different correlations have an acceptable concordance. Different comparisons of the numerical and experimental results have been made for the frost growth always validating the results with the numerical simulations of the frost growth using both of the empirical correlations and comparing them with the experimental results that have been founded in this work and with other experimental results founded in the literature