Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva

Abstract

Trocadores de calor compactos fabricados por manufatura aditiva têm por objetivo o aumento da área de troca térmica e a redução de volume, obtidas por meio de geometrias complexas. Em virtude da elevada compactação, significativos gradientes de temperatura ocorrem nesses equipamentos, principalmente no início da operação ou em interrupções do processo produtivo. Esses gradientes de temperatura provocam níveis de tensão térmica elevados que podem resultar em falha estrutural ou em falha por fadiga no caso de carregamentos cíclicos. Por ser uma tecnologia de fabricação relativamente nova, são poucos os estudos na literatura que investigaram o efeito das tensões térmicas em trocadores de calor compactos produzidos por manufatura aditiva. Este trabalho tem por objetivo preencher esta lacuna ao determinar campos transientes de temperatura e de tensão térmica em condições típicas de operação. Para assegurar a correta avaliação de uma geometria complexa como a obtida em um trocador compacto, experimentos e simulações numéricas foram inicialmente realizados em um domínio já consagrado na literatura: tubos de parede fina e de parede grossa. Avaliações ocorreram de forma experimental, através de extensometria, por meio de um modelo numérico em diferenças finitas e através de simulação numérica em elementos finitos. O modelo teórico desenvolvido foi implementado em Matlab®, enquanto o modelo numérico foi implementado no software comercial Ansys®. Em seguida, um protótipo de trocador de calor compacto fabricado pela técnica de fusão seletiva a laser foi investigado em experimentos com extensômetros e por simulações em elementos finitos. A partir de condições de contorno convectivas onde a diferença de temperatura entre a fonte e o sumidouro é da ordem de 70 °C, foram obtidas, na superfície de tubos de parede grossa, tensões equivalentes de pico de magnitude similar àquelas obtidas por tensões mecânicas oriundas de diferença de pressão de 1050 bar. Nessas mesmas condições e na superfície externa da amostra de trocador de calor, foram obtidas tensões equivalentes de pico de magnitude similar àquelas obtidas por tensões mecânicas oriundas de diferença de pressão de 350 bar. Através da simulação numérica em elementos finitos e nas condições de contorno apresentadas, foi identificada a região do protótipo de trocador de calor propícia a falhas: a superfície interna por onde ocorre escoamento forçado interno. Níveis de tensão equivalente de pico da ordem de 270 MPa foram obtidos nessa região.

Abstract: Heat exchangers manufactured by additive manufacturing aim at increasing the heat exchanger area and at volume reduction, obtained through complex geometries. High temperature gradients occur in this equipment, mainly at the start-up or during interruptions of the production process. These temperature gradients yield high levels of thermal stresses that can result in structural failure or fatigue failure in the case of cyclic loading. As it is a relatively new manufacturing technology, there are few studies in the literature that have investigated the effect of thermal stresses on compact heat exchangers produced by additive manufacturing. This work aims at filling this gap by determining transient temperature and thermal stress fields under typical operating conditions. To ensure the correct evaluation of a complex geometry such as that obtained in a compact exchanger, experiments and numerical simulations were initially carried out in a well-known domain: thin-walled and thick-walled tubes. Evaluations were carried out experimentally, through strain gauges, through a numerical model in finite differences and through numerical simulation in finite elements. The theoretical model developed was implemented in Matlab®, while the numerical model was implemented in the commercial software Ansys®. Then, a prototype of a compact heat exchanger manufactured by the technique of selective laser melting was investigated in experiments with strain gauges and by finite element simulations. From convective boundary conditions where the temperature difference between source and sink is about 70°C, equivalent peak stresses of similar magnitude to those obtained by mechanical stresses arising from differences in pressure of 1050 bar were obtained at the external surface of thick tubes. Under these same conditions and on the external surface of the heat exchanger sample, equivalent peak stresses of similar magnitude to those obtained by mechanical stresses arising from a pressure difference of 350 bar were obtained. Through numerical simulation in finite elements and in the presented boundary conditions, the region of the heat exchanger prototype prone to failures was identified: the inner surface where internal forced flow occurs. Peak equivalent stress levels equal to 270 MPa were obtained at this region.