Comportamento mecânico do núcleo de um trocador de calor unido por difusão

Abstract

Este trabalho avalia fatores que influenciam na resistência mecânica do núcleo de um trocador de calor compacto do tipo placa usinada, unido por difusão e fabricado em aço inoxidável AISI 316L. Devido à geometria dos canais que compõe este núcleo possuir seção quadrática (3x3 mm²), formato pouco difundido na literatura de trocadores de calor, faz-se necessário avaliar estruturalmente este dispositivo. Inicialmente é avaliada a qualidade da união por difusão através da comparação entre amostras fabricadas com a variação dos parâmetros principais de união: temperatura, pressão e tempo. Com o intuito de se determinar a pressão máxima de trabalho a que o núcleo pode ser submetido, inicia-se uma abordagem analítica em comparação com outras geometrias de equipamentos compactos, seguida de uma avaliação experimental e por fim uma abordagem numérica do problema. Também foi proposto um modelo analítico para prever as deformações nas laterais do equipamento. A utilização da união por difusão satisfaz os quesitos de eficiência de junta, obtendo propriedades mecânicas semelhantes ao material base. Com a realização de ensaios hidrostáticos foi possível verificar que a utilização de uma placa de separação entre os fluxos térmicos de 0,5 mm de espessura não resiste a aplicação de altos níveis de pressão, ao se utilizar uma placa de maior espessura, no caso 1 mm, pode-se garantir a resistência mecânica do núcleo e a qualidade da união por difusão. Nos ensaios de ruptura pode-se determinar o nível de pressão em que há segurança na operação do trocador de calor, com espessura lateral em 1mm é indicado operar a 87,5 bar, com 2 mm, 115 bar e para 3 mm de espessura lateral mais de 122,5 bar. A utilização de normas adaptadas para dimensionamento se apresenta como uma boa alternativa, mesmo que estes sejam para estruturas aproximadas ao trocador compacto de canais com seção quadrática. As deformações em função da aplicação de pressão hidrostática nos corpos de prova foram obtidas através da utilização de extensômetros e verificou-se a boa correspondência entre os dados experimentais e os analíticos (teóricos e computacionais). A partir destes dados é possível verificar a alta resistência a esforços mecânicos do trocador de calor em desenvolvimento.

Abstract : This paper evaluates factors that influence the mechanical resistance of the core of a machined plate type compact heat exchanger, which is diffusion bonded and made of stainless steel AISI 316L. Due to the geometry of the channels that compose this core, which has quadratic section (3x3 mm2), a not well known geometry in the heat exchangers literature, is it necessary to make a structural evaluation of this device. At the beginning, the quality of the diffusion bonding is evaluated, through the comparison among samples that were fabricated varying the principal union parameters: temperature, pressure and time. Aiming to determine the maximum working pressure in which this core can be submitted, an analytical approach is used in which the actual is compared to other compact heat exchanger core geometries, followed by an experimental evaluation and finally a numerical approach to the problem. Another analytical model was proposed to predict the strain in which the lateral walls of the equipment are submitted. The use of diffusion bonding process, satisfies the requirements of joint efficiency, obtaining mechanical properties similar to the basis material. Performing hydrostatic tests, it was possible to verify that separation plates of 0,5 mm of thickness, located between the fluid fluxes ae not able to support the application of high pressure levels. However, when thicker plate of 1mm were used, the mechanical resistance of the core was guaranteed as well as the quality of the diffusion bonding. With the burst tests it was possible to determine the level of pressure in which the heat exchanger can operate safely. Cores with edge thickness of 1mm can attend pressures of 87,5 bar, with 2 mm of 115 bar and for 3mm of more than 122,5 bar. The use standards for dimensioning of these cores is a good alternative, even if these standards were not originally developed for these equipment and adaptations to the standard are needed for channels with square sections. The strain from the application of hydrostatic pressure in the specimens were measured by means of strain gages and a good correspondence between experimental and analytical (theoretical and computational) data was verified. From these data, it is possible to verify the high resistance to mechanical stresses of the developed heat exchanger.