Análise térmica e hidrodinâmica de trocadores de calor de placas de quatro quadrantes

Abstract

Trocadores de calor são dispositivos utilizados para promover a transferência de energia térmica entre dois ou mais fluidos, a diferentes temperaturas. Devido às crescentes exigências das indústrias por dispositivos mais compactos e eficientes, os trocadores de calor a placas gaxetadas (GPHE) são comumente utilizados. As placas de quatro quadrantes vêm ganhando destaque por sua geometria única, possibilitando seis configurações diferentes de canais, diferentemente da placa do tipo ?Chevron?, que apresenta apenas três configurações. A proposta do presente trabalho é avaliar experimentalmente o desempenho térmico e hidrodinâmico de um GPHE com placas de quatro quadrantes. Não há, de acordo com a revisão realizada, correlações para a determinação do fator de atrito e do número de Nusselt para os canais desse tipo de trocador. Uma bancada experimental foi adaptada para a realização dos testes. A partir dos dados experimentais obtidos em um trocador de 31 placas, foram avaliados os impactos causados pela distribuição irregular de vazões e pela deformação elástica das placas, decorrente da diferença de pressão estática entre os canais dos ramais quente e frio, no desempenho térmico e hidrodinâmico. Correlações para a determinação do desempenho térmico e hidrodinâmico de canais compostos por placas de quatro quadrantes foram propostas e comparadas a correlações obtidas na literatura para canais formados por placas do tipo ?Chevron?. De acordo com as condições de contorno e de montagem do trocador GPHE, constatou-se que a queda de pressão entre os ramais quente e frio pode ser consideravelmente diferente para a mesma vazão mássica. Correlações de fator de fricção para cada configuração de canal e condição de deformação foram propostas. Foram obtidos 168 pontos experimentais para testes de distribuição de vazões mássicas em canais de um trocador com 101 placas, consistindo de um arranjo de canais mistos no ramal frio (LS/LD) e em um arranjo único no ramal quente (LS). Os dados experimentais da distribuição de vazões mássicas foram modelados a partir do modelo analítico propostos por Bassiouny e Martin (1984). Valores do fator m² para canais ?estrangulados? foram levemente superiores aos valores obtidos para canais ?expandidos?. Distribuição de vazão em canais não deformados se aproximam com maior efetividade dos resultados propostos pelo modelo de Bassiouny e Martin (1984). Ainda, correlações de Nusselt foram propostas e comparadas a correlações disponíveis na literatura para canais formados por placas do tipo ?Chevron?. Valores de Nusselt para os canais LD, MD e HD apresentaram boa concordância em relação aos valores obtidos na literatura, numa faixa de concordância de ±15%. Valores de Nusselt para os canais LS, MS e HS não podem ser bem representados pelas correlações encontradas em canais do tipo ?Chevron?. A partir da Equação Generalizada de Lévêque (GLE), demonstrou-se que a deformação elástica das placas afeta o desempenho térmico do trocador. Utilizando a razão entre o número de Poiseuille e Nusselt como critério de desempenho global, foi demonstrado que a configuração de canal LD é a mais eficaz.

Abstract: Heat exchangers are devices that promote thermal energy transfer between two or more fluids at different temperatures. Due to the increasing demands of industries for more compact and efficient devices, gasketed plate heat exchangers (GPHE) are commonly used. Four-segment plates have been gaining prominence due to their unique geometry, which allows for six different channel configurations, unlike the \"Chevron\" type plate, which only has three configurations. The purpose of this study is to experimentally evaluate the thermal and hydrodynamic performance of a GPHE with four-segment plates. According to the literature review, there are no correlations for determining the friction factor and Nusselt number for channels in this type of heat exchanger. An experimental setup was adapted for conducting the tests. Based on experimental data obtained from a 31-plate exchanger, the impacts caused by irregular flow distribution and elastic deformation of the plates due to the difference in static pressure between the hot and cold channels were evaluated for thermal and hydrodynamic performance. Correlations for determining the thermal and hydrodynamic performance of channels composed of four-segment plates were proposed and compared to correlations obtained in the literature for channels formed by \"Chevron\" plates. According to the boundary and assembly conditions of the GPHE, it was found that the pressure drop between the hot and cold channels can be considerably different for the same mass flow rate. Friction factor correlations for each channel configuration and deformation condition were proposed. 168 experimental points were obtained for mass flow distribution tests in channels of a 101-plate exchanger, consisting of a mixed channel arrangement in the cold channel (LS/LD) and a single arrangement in the hot channel (LS). The experimental data of mass flow distribution were modeled using the analytical model proposed by Bassiouny and Martin (1984). Values of the m² factor for \"strangled\" channels were slightly higher than the values obtained for \"expanded\" channels. Distribution of flow in non-deformed channels approaches the results proposed by the Bassiouny and Martin (1984) model more effectively. Additionally, Nusselt correlations were proposed and compared to correlations available in the literature for channels formed by \"Chevron\" plates. Nusselt values for LD, MD, and HD channels showed good agreement with values obtained in the literature, within an agreement range of 15%. Nusselt values for LS, MS, and HS channels cannot be well represented by correlations found in \"Chevron\" channels. From the Generalized Lévêque Equation (GLE), it was demonstrated that elastic deformation of the plates affects the thermal performance of the heat exchanger. Using the ratio between the Poiseuille and Nusselt numbers as a global performance criterion, it was demonstrated that the LD channel configuration is the most effective.