Análise de trocadores de calor compactos com caminhos reto e zigue-zague fabricados por manufatura aditiva

Abstract

Trocadores de calor compactos são equipamentos que possuem elevada capacidade de troca térmica ocupando espaços reduzidos, característica muito visada nas indústrias modernas, como petrolífera, aeroespacial e naval. Mesmo com suas altas capacidades, um trocador compacto pode ser ainda mais eficiente ao se utilizar canais com geometrias complexas, perturbando o escoamento e aumentando o coeficiente convectivo de transferência de calor. Contudo, os métodos de fabricação mais consolidados impossibilitam a criação de tais geometrias devido a sua dificuldade fabril e custo elevado, porém utilizando a técnica de manufatura aditiva é possível criar trocadores compactos com caminhos variados. Tendo em vista estas possibilidades, o presente projeto visa a fabricação e o estudo de trocadores de calor compactos com canais retos e em zigue-zague em metal, utilizando a técnica Fusão Seletiva a laser (SLM), e em resina fotopolimerizável, através de impressoras LCD. Os núcleos foram projetados com 145mm de comprimento, 60mm de largura e 70mm de altura, com configuração contracorrente e canais de 2 mm de diâmetro. Dois núcleos metálicos foram fabricados no Instituto SENAI ? Joinville, um com canais retos e outro com canais em zigue-zague. Além disso, outros dois núcleos foram impressos com a mesma geometria em resina no laboratório T2F-UFSC. Com os trocadores de calor produzidos, foram realizados testes experimentais de transferência de calor e queda de pressão, de modo a comparar o desempenho protótipos. Os experimentos foram realizados variando a temperatura de entrada e a vazão dos ramais quente e frio, tendo um total de 430 experimentos. Um modelo matemático teórico foi desenvolvido para avaliar o comportamento térmico e hidrodinâmico dos trocadores de calor produzidos, além de um levantamento de possíveis correlações do número de Nusselt e fator de atrito para caminhos retos e em zigue-zague. O modelo térmico conseguiu retratar com precisão os testes realizados utilizando os fluidos de trabalho Água e ar, tendo erros inferiores 6% com o trocador polimérico reto e metálico reto, para os trocadores zigue-zague os erros foram de 5% e 10% no trocador metálico e polimérico, respetivamente. Nos experimentos de queda de pressão os resultados com os trocadores poliméricos foram os com melhor desempenho por se tratar de canais lisos, já para os trocadores metálicos os erros passaram dos 50% devido as imperfeições dos canais e sua elevada rugosidade interna. Em suma, a presente pesquisa consegui fabricar e testar trocadores poliméricos e metálicos, mostrando que as rugosidades, deformações e também tortuosidades no interior dos canais proporcionam aumento na queda de pressão e também na taxa de transferência de calor.

Abstract: Compact heat exchangers are equipment that have a high heat exchange capacity while occupying reduced spaces, a characteristic that is highly sought after in modern industries, such as oil, aerospace and naval. Even with its high capacities, a compact exchanger can be even more efficient when using channels with complex geometries, disturbing the flow and increasing the convective heat transfer coefficient. However, the most consolidated manufacturing methods make it impossible to create such geometries due to their manufacturing difficulty and high cost, but using the additive manufacturing technique it is possible to create compact exchangers with varied paths. In view of these possibilities, this project aims to manufacture and study compact heat exchangers with straight and zigzag channels in metal, using the Selective Laser Melting (SLM) technique, and in photopolymerizable resin, through LCD printers. The cores were designed with a length of 145 mm, a width of 60 mm and a height 70 mm, with a countercurrent configuration and 2 mm diameter channels. Two metal cores were manufactured at the SENAI Institute ? Joinville, one with straight channels and the other with zigzag channels. In addition, two other cores with the same geometry were printed in resin at the T2F-UFSC laboratory. Experimental tests of heat transfer and pressure drop were performed with the heat exchangers produced, in order to compare the performance of the prototypes. The experiments were carried out by varying the inlet temperature and the flow rate of the hot and cold branches, with a total of 430 experiments. A theoretical mathematical model was developed to evaluate the thermal and hydrodynamic behavior of the heat exchangers produced, in addition to a survey of possible correlations of the Nusselt number and friction factor for straight and zigzag paths. The thermal model was able to accurately portray the tests performed using water and air as working fluids, with errors of less than 6% with the straight polymeric and straight metallic exchangers. For the zigzag exchangers, the errors were 5% and 10% for the metallic and polymeric exchangers, respectively. In the pressure drop experiments, the results with the polymeric exchangers were the best performing because they have smooth channels, while for the metallic exchangers, the errors exceeded 50% due to the imperfections of the channels and their high internal roughness. In short, the present research managed to manufacture and test polymeric and metallic exchangers, showing that the roughness, channels distortion and also tortuosity inside the channels provide an increase in the pressure drop and also in the heat transfer rate.