Análise numérica das características hidrodinâmicas e térmicas de um trocador de calor de placas gaxetado (GPHE) e sua influência na deformação estrutural das placas

Abstract

Este trabalho apresenta uma análise numérica das características hidrodinâmicas, térmicas e estruturais de quatro configurações distintas de um trocador de calor de placas gaxetado (Gasketed Plate Heat Exchangers - GPHE), com ênfase no estudo do afastamento entre as placas causado pelo escoamento e sua influência no comportamento termohidrodinâmico do equipamento. Esta pesquisa é motivada pela crescente demanda por eficiência térmica nas indústrias petroquímicas, químicas, alimentícias e farmacêuticas, onde o uso de GPHEs é difundido devido à sua forma compacta, fácil manutenção e boa transferência de calor. Apesar da existência de inúmeras correlações desenvolvidas para estimar alguns parâmetros de interesse que descrevem os GPHEs, não há uma correlação de aplicação global devido à grande variedade de geometrias de placas disponíveis. Além disso, o fenômeno chamado de ?respiro?, efeito causado pela diferença de pressão entre os ramais, é negligenciado no equacionamento, representando mais uma fonte de incerteza nas correlações. O entendimento físico deste fenômeno e seus efeitos no comportamento do trocador como um todo é, até o presente momento, pouco aprofundado na literatura devido à complexidade do acoplamento hidrodinâmico, térmico e estrutural das placas delgadas do trocador. Com o objetivo de estudar este efeito e abordar formas de mitigá-lo, uma abordagem numérica foi aplicada sobre quatro diferentes configurações de um GPHE: ?Low Beta Angle ? Different Direction (LD)?, ?Low Beta Angle ? Same Direction (LS)?, ?High Beta Angle ? Different Direction (HD)? e ?High Beta Angle ? Same Direction (HS)?. Os domínios computacionais das placas do trocador de calor foram obtidos através de uma metodologia desenvolvida neste estudo para obtenção de geometrias complexas e delgadas, aplicando o escaneamento digital 3D, com posterior correção numérica de desvios devido à elevada relação comprimento por espessura da placa. Duas abordagens numéricas foram realizadas. A primeira consiste na avaliação da faixa de Reynolds de 798 = (Re) ¯ = 4643 contabilizando apenas o núcleo dos canais formados com diferentes valores de afastamentos uniformes entre as placas, com o objetivo de analisar a influência do afastamento entre as placas no fator de atrito e número de Nusselt do escoamento. A validação dos resultados numéricos desta primeira etapa foi realizada por meio de uma base de dados experimentais publicada na literatura. Diferentes afastamentos foram observados como os melhores valores para descrever cada configuração. Os núcleos dos canais foram classificados de acordo com os afastamentos em comprimidos e expandidos. Os ramais comprimidos mostraram uma maior eficiência na transferência de calor, indicando um aumento de 10,10%, 40,00% e 38,64% no número de Nusselt médio para os ramais compridos LS, HD e HS, em comparação com os expandidos. Entretanto, este ganho é acompanhado por maiores quedas de pressão, especialmente para os canais com maiores ângulos de Chevron (HD e HS), em que a média do fator de atrito local foi cerca de 2,5 e 2,9 vezes maior, nesta ordem, para os canais comprimidos em relação aos expandidos. Com base nestes resultados, correlações dependentes de Re e do afastamento entre as placas foram apresentadas para definir a queda de pressão no canal completo. A segunda abordagem numérica consistiu em aplicar um modelo de interação fluido-estrutura (Fluid-Structure Interaction - FSI) com o intuito de analisar os afastamentos não uniformes entre as placas causados pelo escoamento. A região central das placas foi identificada como as áreas susceptíveis aos maiores afastamentos. Corroborando com os campos de pressão elevados, as configurações HD e HS apresentaram os maiores afastamentos, cerca de 1 mm e 1,25 mm, o que representa 31% e 39% da altura da corrugação, respectivamente. Os deslocamentos obtidos por meio da análise FSI demonstraram-se quase uniformes para o canal HD, alinhando-se com a abordagem adotada na avaliação dos núcleos, enquanto para os demais canais avaliados os deslocamentos mostram perfis com maiores flutuações. Os espaçamentos também apresentaram valores próximos em ambas as abordagens. No entanto, mesmo pequenos desvios nos afastamentos resultaram em campos de pressão significativamente diferentes. Como resultado da deformação elástica das placas, os volumes deformados dos canais internos das quatro configurações avaliadas, exibem pontos de contato ao longo de toda a geometria, representando as áreas de interferência entre as placas. Estes resultados trazem uma importante contribuição para a visualização e entendimento do real efeito de escoamentos em ramais com diferentes pressões em trocadores de calor de placas e quais as limitações da modelagem simplificada do fenômeno para estimativas de perda de carga e troca de calor em equipamentos reais em operação.

Abstract: This work presents a numerical analysis of the hydrodynamic, thermal and structural characteristics of four different configurations of a Gasketed Plate Heat Exchanger (GPHE), with emphasis on the study of the separation between the plates caused by the flow and its influence on the thermohydrodynamic behavior of the equipment. This research is motivated by the growing demand for thermal efficiency in the petrochemical, chemical, food and pharmaceutical industries, where the use of GPHEs is widespread due to their compact shape, easy maintenance and good heat transfer. Despite the existence of numerous correlations developed to estimate some parameters of interest that describe GPHEs, there is no globally applicable correlation due to the wide variety of plate geometries available. In addition, the phenomenon called ?breathing?, an effect caused by the pressure difference between the branches, is neglected in the equation, representing another source of uncertainty in the correlations. The physical understanding of this phenomenon and its effects on the behavior of the heat exchanger is, to date, little explored in literature due to the complexity of the hydrodynamic, thermal and structural coupling of the thin plates of the exchanger. To study this effect and address ways to mitigate it, a numerical approach was applied to four different configurations of a GPHE: ?Low Beta Angle ? Different Direction (LD)?, ?Low Beta Angle ? Same Direction (LS)?, ?High Beta Angle ? Different Direction (HD)? and ?High Beta Angle ? Same Direction (HS)?. The computational domains of the heat exchanger plates were obtained through a methodology developed in this study to obtain complex and thin geometries, applying 3D digital scanning, with subsequent numerical correction of deviations due to the high length to thickness ratio of the plate. Two numerical approaches were performed. The first consists of evaluating the Reynolds range of 798 = ((Re) ¯) = 4643, considering only the core of the channels formed with different values of uniform spacing between the plates, with the aim of analyzing the influence of the spacing between the plates on the friction factor and Nusselt number of the flow. The validation of the numerical results of this first stage was performed using an experimental database published in the literature. Different clearances were observed as the best values to describe each configuration. The channel cores were classified according to the clearances in compressed and expanded. The compressed branches showed higher efficiency in heat transfer, indicating an increase of 10.10%, 40.00% and 38.64% in the average Nusselt number for the long branches LS, HD and HS, compared to the expanded ones. However, this gain is accompanied by higher pressure drops, especially for the channels with larger Chevron angles (HD and HS), in which the average local friction factor was approximately 2.5 and 2.9 times higher, in this order, for the long channels compared to the expanded ones. Based on these results, correlations dependent on Re and the clearance between the plates were presented to define the pressure drop in the complete channel. The second numerical approach consisted of applying a fluid-structure interaction (FSI) model to analyze the non-uniform separations between the plates caused by the flow. The central region of the plates was identified as the areas susceptible to the largest separations. Corroborating the high-pressure fields, the HD and HS configurations presented the largest displacements, approximately 1 mm and 1.25 mm, which represents 31% and 39% of the corrugation height, respectively. The displacements obtained through the FSI analysis were almost uniform for the HD channel, in line with the approach adopted in the evaluation of the cores, while for the other evaluated channels the displacements show profiles with greater fluctuations. The spacings also presented similar values in both approaches. However, even small deviations in the displacements resulted in significantly different pressure fields. As a result of the elastic deformation of the plates, the deformed volumes of the internal channels of the four evaluated configurations exhibit contact points throughout the geometry, representing the interference areas between the plates. These results make an important contribution to the visualization and understanding of the real effect of flows in branches with different pressures in plate heat exchangers and the limitations of simplified modeling of the phenomenon for estimating pressure loss and heat exchange in real equipment in operation.