Trocadores de calor compactos unidos por difusão: estudo da escalabilidade termo-hidráulica e mecânica

Abstract

O trocador de calor de placa usinada por corte de jato d?água é uma variação dos trocadores de calor compactos unidos por difusão, sendo os seus principais diferenciais o método de usinagem dos canais e o sistema de empilhamento empregado. Inicialmente, utilizando placas de aço AISI 316L, fabricou-se um trocador de calor compacto de placa usinada por corte de jato d?água, com as dimensões externas de 173x173x113mm (comprimento, largura, altura), com canais retos de seção quadrada de 3x3mm, dispostos em um arranjo de escoamento cruzado. É apresentada uma análise qualitativa e quantitativa do processo de fabricação e da união por difusão desse núcleo, verificando aspectos como a rugosidade e a influência dos processos nas dimensões reais dos canais, onde verificou-se uma redução significativa da seção transversal. Realizaram-se ensaios de tração em corpos de prova extraídos das bordas desse núcleo, obtendo o valor para a tensão de escoamento, tensão máxima e alongamento percentual, em média, de 198,0MPa, 478,5MPa e 28,1% respectivamente. Em uma etapa posterior, realizaram-se testes termo-hidráulicos, utilizando ar quente e água fria como fluidos de trabalho. A faixa de Reynolds varrida para o ramal frio foi de 480 a 2683 e para o ramal quente foi de 799 a 3145, compreendendo os regimes de escoamento laminar, transição e início da turbulência. A taxa de transferência de calor medida ficou entre 1,22kW e 4,36kW e a queda de pressão variou de 154,4Pa a 1748,2Pa e 130,98Pa a 1192,72Pa para os ramais frio e quente, respectivamente. Estes resultados experimentais foram comparados com modelos teóricos da literatura, apresentando uma diferença relativa de 6,67% na taxa de transferência de calor e 2,07% e 6,19% em relação a queda de pressão para o lado frio e quente. Também são comparados com simulações computacionais, onde utilizou-se os modelos laminar e SST, apresentando boa concordância. A partir dos valores experimentais medidos, calculou-se o número de Nusselt e o fator de atrito de Fanning, importantes parâmetros adimensionais de projeto. Na segunda etapa desse trabalho, visando o escalonamento do processo, fabricou-se um trocador de calor de placa usinada por corte de jato d?água, com as dimensões externas de 350x400x300mm (comprimento, largura, altura), utilizando os mesmos procedimentos, parâmetros e espessura de placas do primeiro núcleo. Avaliou-se a estanqueidade do dispositivo através de testes hidrostáticos, onde foram observados vazamentos pontuais, ocasionados pela pequena quantia de borda deixada após a abertura dos canais. No entanto, atingiram-se pressões de até 173bar, resultado esse limitado pelo vazamento na região de solda entre o bocal de alimentação e o núcleo do trocador de calor. De modo similar ao núcleo de trocador de calor de menor porte, realizaram-se ensaios de tração em diversos corpos de prova retirados da região de borda do núcleo. O resultado obtido para a tensão de escoamento, tensão máxima e alongamento percentual foi de, em média, 213,14MPa, 470,70MPa e 33,48%, respectivamente. De modo semelhante ao núcleo de menor porte, apenas a tensão de escoamento ficou dentro dos parâmetros estipulados pela norma ASME AS 240 para o aço 316L, com a tensão máxima e alongamento percentual ficando ligeiramente abaixo do estipulado. Também foram avaliadas qualitativamente as regiões de união das placas, através de análise metalográfica. Por fim, foi feito o fatiamento desse núcleo de médio porte para uma inspeção visual dos canais em diferentes quadrantes. De modo geral, a utilização da temperatura de 1040ºC, pressão de 9,5MPa e tempo de 90 minutos durante a união por difusão mostrou-se satisfatória para a soldagem de ambos os núcleos.

Abstract: The cut-plate heat exchanger is a variation of the diffusion bonded heat exchangers, where the main differences are the machining method (done by water jet cutting) and the stacking system employed. Initially, using AISI 316L steel plates, a cut-plate heat exchanger was manufactured, with the external dimensions of 173x173x113mm (length, width, height), straight channels of 3x3mm square cross-section and a cross flow arrangement. A qualitative and quantitative analysis of the manufacturing and diffusion bonding process of this core is presented, verifying aspects such as the roughness and the influence of the processes in the real dimensions of the channels, where there was a significant reduction of the cross section. Tensile tests were performed on samples extracted from the edges of this core, obtaining the value for yield stress, maximum stress and elongation, on average, of 198,0MPa, 478,5MPa and 28,1%, respectively. In a later stage, thermohydraulic tests were performed, using hot air and cold water as working fluids. The range of Reynolds number for the cold branch ranged from 480 to 2683 and for the hot branch from 799 to 3145, comprising the laminar, transition and beginning of turbulence flow regimes. The measured heat transfer rate ranged from 1.22kW and 4.36kW and the pressure drop varied from 154.4Pa to 1748.2Pa and 130.98Pa to 1192.72Pa for the cold and hot branches, respectively. These experimental results were compared with theoretical models in the literature, showing a relative difference of 6.67% in the heat transfer rate and 2.07% and 6.19% in relation to the pressure drop for the cold and hot sides. They were also compared with numerical simulations, where the laminar and SST models were used, showing good agreement. From the measured experimental values, the Nusselt number and the Fanning friction factor were calculated. In the second stage of this work, aiming at scaling process, a cut-plate heat exchanger was manufactured, with the external dimensions of 350x400x300mm (length, width, height), using the same procedures, parameters and plate thickness of the first core. The watertightness of the device was evaluated through hydrostatic tests, where occasional leaks were observed, caused by the small amount of edge left after opening the channels. However, pressures of up to 173 bar were reached, a result limited by leakage in the weld region between the supply nozzle and the heat exchanger core. Similar to the smaller heat exchanger core, tensile tests were performed on several specimens taken from the edge region of the core. The result obtained for the yield stress, maximum stress and elongation was, on average, 213,14MPa, 470,70MPa and 33,48%, respectively. Similar to the smaller core, only the yield stress was within the parameters stipulated by the ASME AS 240 standard for 316L steel, with the maximum yield and elongation being slightly below. The regions where the plates were joined were also qualitatively evaluated through metallographic analysis. Finally, this medium-sized core was sliced for a visual inspection of the channels in different quadrants. In general, the use of a temperature of 1040ºC, pressure of 9.5MPa and time of 90 minutes during the diffusion bonding process proved to be satisfactory for welding both cores.