Modelo de síntese e otimização da estrutura de trocadores compactos fabricados por manufatura aditiva

Abstract

Trocadores de calor são dispositivos que promovem a troca térmica entre dois ou mais fluidos escoando em diferentes temperaturas. O termo compacto é adicionado quando tais equipamento possuem alta área de transferência em volumes pequenos. Geralmente esses equipamentos operam à altas pressões e com grandes variações de temperatura. Neste contexto, este trabalho propõe um modelo de otimização para o projeto de um trocador de calor compacto que busca maximizar a troca de calor e minimizar a perda de carga; além de atender as restrições estruturais e de fabricação. Uma importante contribuição inovadora é que avalia-se a possibilidade do emprego da manufatura aditiva na fabricação de tais dispositivos. Através de ensaios experimentais em protótipos considerados vasos de pressão, estudou-se a viabilidade desse processo na fabricação de trocadores submetidos a pressões internas de até 700 bar. Ainda, através da adequação entre um modelo numérico idêntico ao protótipo, o campo de tensões atuantes foi mapeado e comparado com os resultados experimentais. Além disso, confirmaram-se predições da literatura sobre o caráter ortotrópico e a rugosidade associadas a esse processo de fabricação. Por fim, destaca-se que o modelo de otimização desenvolvido utiliza formulações analíticas atuais para a estimativa do comportamento termo hidráulico do trocador. Mas, para a avalição estrutural, propõem-se um modelo numérico simplificado e uma inovadora abordagem da utilização da norma ASME para vasos de pressão cilíndricos com parede espessa. Destaca-se que ambos os modelos apresentaram boa aderência com os resultados experimentais. Como resultado, após a validação e verificação do modelo desenvolvido, são apresentados estudos da influência de cada variável no comportamento das soluções ótimas, além da influência que a restrição de tensão e o tipo de escoamento exercem nesse processo.

Abstract: Heat exchangers are devices that promote the heat exchanger between two or more fluids, flowing in different temperatures. The compact concept is added when this equipment shows high transfer area and have small volumes. Usually, these devices work under high pressures and elevated temperature differentials. In this context, this dissertation proposes an optimization model to the project of compact heat exchanger, aiming to maximize heat transfer rate and minimize pressure loss, always attending to structural and manufacturing restrictions. An important contribution is the evaluation of additive manufacturing as heat exchanger fabrication process. Through experimentation of pressure vessel prototypes, it?s studied the viability of this process for compact devices with internal pressure up to 700 bar. Still, with an identical numerical model of the prototype, the stress field was evaluated and compared with experimental results. Besides, the predictions about orthotropy and surface roughness associated with AM are confirmed. Lastly, it?s highlighted that the optimization model developed utilizes analytical formulations to estimate the thermohydraulic behavior of the HE. However, for structural investigation its proposed two methods: a simplified numerical model and an ASME analytical approach for thick cylinder under internal pressure. Both models show good adherence when compared with experimental evaluation. As a result, after verification and validation of the developed model, are presented studies regarding the influence that decision variables have on optimal solutions. Also presenting stress restriction and flow arrangement influence on structural thermohydraulic behavior.