Novel conception of compact diffusion bonded heat exchanger

Abstract

O presente trabalho introduz nova concepção de trocador de calor compacto unido por difusão, através da usinagem de placas em padrões de corte que permitem a criação de diversas geometrias de superfície de transferência de calor. Essa dissertação foca em uma superfície do tipo placa aletada, porém, essa nova concepção permite também a obtenção de geometrias inéditas de superfícies de transferência de calor, como canais tridimensionais e/ou intercomunicantes. Tais trocadores buscam ser mais compactos, mais eficientes (maior transferência de calor sem significativos aumentos de perda de carga) e melhor adaptados à operação em condições de entupimento. Os detalhes de desenvolvimento de um projeto de trocador de calor desse tipo, considerando superfícies com aletas do tipo pino, são apresentados. O presente trabalho engloba o desenvolvimento de um protótipo para testes desse tipo de superfície de transferência de calor (aletas do tipo pino). Tal protótipo foi desenvolvido objetivando obter correlações termo-hidráulicas para essa superfície, bem como permitir futuros testes em condições de deposição/incrustação. O desenvolvimento de uma bancada de testes também é apresentado. Resultados experimentais, aliados à implementação de um modelo de trocador de calor que considera condução interna e convecção em um dos ramais, permite a obtenção de dados referentes ao coeficiente convectivo no ramal de nova geometria. Dados de queda de pressão no núcleo tamém são obtidos. Os resultados são apresentados de maneira adimensionalizada, na forma do fator Colburn e do fator de atrito de Fanning. Parâmetros de desempenho são introduzidos e utilizados na comparação da nova geometria com duas superfícies comuns de transferência de calor.

Abstract: This monograph introduces a novel conception of compact, diffusion bonded heat exchanger. Careful machining of plates followed by ordered stacking and diffusion bonding allows the designer to produce a multitude of heat transfer surfaces with multiple features. This work focuses on a pin-fin surface, however, this new conception allows the creation of novel surface geometries, including, for instance, intercommunicating and/or three-dimensional channels. The engineer can work with the new design possibilities to search for heat transfer surfaces which are more compact, more efficient (with higher heat transfer capabilities without significant increase in pressure drop) and less prone to fouling effects. The development of a feasible, applicable heat exchanger with pin-fin geometry is presented, showing that this new conception can, in fact, be applied in practical situations. This work also presents the design and manufacturing of a prototype, with similar heat transfer surface geometry (pin fins) for the development of thermal and hydraulic correlations, as well as future testing under fouling conditions. A new workbench for such kind of testing was developed, and the details regarding it are presented as well. Experimental results are used as inputs to a thermal model, allowing the convective coefficients of the new heat transfer surface to be obtained. Core pressure drop data are also obtained. The results are non-dimensionalized and presented in the form of Colburn factor and friction factor. Finally, performance parameters are used to compare the new geometry to two common heat transfer surfaces.