Análise teórica e experimental de trocadores de calor do tipo casco e placas

Abstract

Trocadores de calor casco e placas PSHE (Plate and Shell Heat Exchanger) são dispositivos com crescente uso em aplicações industriais como consequência de sua alta capacidade de troca térmica, característico de placas corrugadas, juntamente com sua elevada robustez mecânica (típica de trocadores de calor casco e tubo). Contudo, ao se analisar estudos existentes de trocadores de calor de placas, nota-se que as conclusões obtidas são restritas a cada experimento específico, resultando em correlações e modelos teóricos específicos para cada condição experimental avaliada, o que leva à necessidade de ajustes quando consideradas novas condições de uso. Desta forma, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de análises teórica e experimental dos comportamentos térmico e hidráulico de trocadores de calor do tipo casco e placas (PSHEs), com foco no desenvolvimento de modelos teóricos para predição do desempenho deste tipo de equipamento especialmente na aplicação de PSHEs em processos industriais que envolvem fluidos altamente viscosos, como o lubrificante parafínico. Foram desenvolvidos modelos teóricos generalizados para prever o número de Nusselt e o fator de atrito em placas corrugadas circulares, superando limitações das correlações existentes. Um trocador de calor comercial foi testado em uma bancada experimental, utilizando água e óleo lubrificante mineral como fluidos de trabalho. A metodologia experimental incluiu planejamento fatorial fracionário e a análise dos resultados experimentais se deu por meio da aplicação do método Wilson-Plot para obtenção dos coeficientes de transferência de calor por convecção. Os resultados teóricos foram comparados com dados experimentais e correlações da literatura, mostrando boa concordância e desvios médios de 20% para o coeficiente de atrito e -3% para o número de Nusselt. O estudo contribui para o avanço da modelagem de PSHEs, propondo soluções mais precisas e aplicáveis a diferentes configurações geométricas e condições operacionais.

Abstract: Shell and plate heat exchangers (PSHEs) are increasingly being used in industrial applications due to their high thermal exchange capacity (characteristic of corrugated plates) combined with their mechanical robustness (typical of shell-and-tube heat exchangers). However, when analyzing existing plate heat exchanger studies, the conclusions drawn in each study are limited to specific experimental setups, resulting in theoretical models and correlations tailored to each tested condition. This leads to the need for adjustments when new operating conditions are considered. Therefore, the objective of this work is to develop a theoretical and experimental analysis of the thermal and hydraulic behavior of shell and plate heat exchangers (PSHEs), focusing on the development of theoretical models to predict the thermohydraulic performance of the equipment, especially for applications of in industrial processes involving highly viscous fluids, such as paraffinic lubricants. Generalized theoretical models were developed to predict the Nusselt number and the friction factor in circular corrugated plates, overcoming limitations of existing correlations. A commercial heat exchanger was tested on an experimental bench, using water and mineral lubricating oil as working fluids. The experimental methodology included fractional factorial planning, and the analysis of the experimental results was conducted using the Wilson-Plot method to obtain the convection heat transfer coefficients. The theoretical results were compared with experimental data and literature correlations, showing good agreement, with the average deviations of 20% for the friction factor and 11% for the Nusselt number. The study contributes to the advancement of PSHE modeling, by proposing more accurate and broadly applicable solutions for different geometric configurations and operating conditions.