Caracterização teórica e experimental de trocadores de calor compactos com canais tridimensionais unidos por difusão

Abstract

Trocadores de calor são dispositivos que realizam a transferência de energia térmica entre dois ou mais fluidos, sendo empregados nas mais diversas aplicações industriais. Os trocadores de calor compactos caracterizam-se pela grande área de transferência de calor em relação ao volume de troca térmica. Por isso, surgem como alternativa em aplicações onde requisitos de espaço e peso sejam essenciais, como em aviões, automóveis e plataformas de exploração de petróleo. No presente projeto, dois trocadores de calor compactos com canais tridimensionais foram projetados, fabricados e testados. Formaram-se os núcleos dos dispositivos através do processo de união por difusão de um conjunto de placas de aço inoxidável AISI 316L, empilhadas em uma sequência pré-estabelecida. Os canais de escoamento dos fluidos de trabalho foram usinados nas placas por corte em jato d?água. Testes de estanqueidade e análises microestruturais foram realizados para verificar a estrutura resultante do processo de união. Os trocadores de calor compactos foram testados em regime de transição, utilizando água e ar como fluidos de trabalho, com o objetivo de obter importantes parâmetros de desempenho, como taxa de transferência de calor, efetividade térmica e condutância térmica global. Modelos analíticos foram desenvolvidos para servirem como ferramenta matemática de projeto, possibilitando avaliar o desempenho térmico teórico dos dispositivos. Realizaram-se ajustes de resultados teóricos de condutância térmica global aos experimentais, obtendo-se correlações para o fator de atrito utilizado no cálculo do número de Nusselt, visando melhor representar a geometria e a rugosidade da superfície dos canais. Um modelo analítico foi proposto para calcular a resistência térmica ao calor transferido por condução, cujo parâmetro de entrada é a geometria das paredes internas do trocador, apresentando erro relativo de 5,2 % em relação ao valor obtido de simulações numéricas. Os resultados demonstraram que o modelo térmico previu a taxa de transferência de calor, a efetividade térmica e a condutância térmica global dos equipamentos com erros relativos médios inferiores a 6 %. Além disso, constatou-se que os trocadores de calor fabricados apresentaram desempenho térmico superior em comparação a trocadores de mesmas dimensões e empregando canais retos.

Abstract: Heat exchangers are devices that allow the transfer of thermal energy between two or more fluids, and have been operating in several industries and in their products. Compact heat exchangers are characterized by their large heat transfer surface area per unit volume. Therefore, they are suitable for applications where space and weight are major constraints as in airplanes, automobiles and oil platforms. In this project, two compact heat exchangers with three-dimensional channels were designed, manufactured and tested. The core geometries were formed by joining stainless steel 316L plates using diffusion bonding technique, stacked in a predetermined configuration. The fluid flow channels were formed by a waterjet cutter machine in the plates. Leak tests and metallographic examinations were made to check the union zones from the process. The compact heat exchangers were tested in transition flow with air and water as working fluids to evaluate the heat transfer rate, thermal effectivity and overall thermal conductance. Analytical models were developed to predict the theoretical values of these parameters. Theoretical values of overall thermal conductance were adjusted to the experimental data, resulting in friction factors correlations used to evaluate the Nusselt numbers, to represent properly the geometry and the surface roughness of the channels. An analytical model was proposed to calculate the wall thermal resistance using the geometry from heat exchangers? internal walls as input, with a mean relative error of 5.2 % relative to the value from numerical simulations. The results demonstrated that the thermal analytical model predicted the heat exchangers? heat transfer rate, thermal effectivity and overall thermal conductance with mean relative errors smaller than 6 %. Furthermore, it was found that the manufactured heat exchangers presented superior thermal performance in comparison to heat exchangers with the same dimensions and employing straight channels.