Análise experimental do comportamento estrutural, térmico e hidrodinâmico de trocadores de calor de placas gaxetadas

Abstract

Trocadores de calor de placas gaxetadas (GPHEs) são amplamente utilizados na indústria petroquímica, alimentícia e têxtil. Devido aos gradientes de pressão e temperatura entre as placas, os trocadores gaxetados falham principalmente devido a expulsão da gaxeta. Existem poucos relatos sobre os modos de falha e análise estrutural desse tipo de equipamento na literatura especializada, sendo dada maior ênfase na análise de desempenho térmico e hidrodinâmico. Este trabalho tem como proposta avaliar o comportamento estrutural, térmico e hidrodinâmico de trocadores de calor gaxetados por meio de análises experimentais e teóricas. Medições de deformação por extensômetros ocorreram durante a montagem do equipamento e nas condições de operação. A avaliação levou em consideração diferentes materiais das placas (aço inoxidável 316L e Titânio Grau 1), espessuras (0,5, 0,6, 0,7 mm), ângulos de chevron (placas L e H) e distâncias de aperto. Avaliando o acoplamento térmico e mecânico, constatase que nas placas mais finas (0,5 mm), as contribuições mecânicas predominam. Em contrapartida, em placas mais espessas, as contribuições térmicas se tornam mais proeminentes. Globalmente, o cenário mais desafiador persiste nas placas mais finas. O comportamento térmico e hidrodinâmico esperado devido às geometrias de placas H e L foi observado: os números de Nusselt e os fatores de atrito aumentaram com o aumento dos ângulos de Chevron. Para canais H, o número de Nusselt aumentou com a diminuição das distâncias de aperto, o aumento das razões de aspecto das ondulações e a diminuição das espessuras das placas. O fator de atrito é claramente afetado pela diferença de pressão na entrada entre os ramais frios e quentes, especialmente para os canais H. Os fatores de atrito diminuem com o aumento das distâncias de aperto e das espessuras das placas, aumentando consideravelmente quando existe diferença de pressão entre os ramais. Os resultados deste estudo revelam que o procedimento de montagem de um GPHE é o ponto de maior demanda mecânica durante a vida útil do equipamento. A versatilidade desse equipamento, que permite desmontagem e reconfiguração, também o expõe a tensões que ultrapassam os limites de escoamento. No entanto, o aumento da espessura das placas pode mitigar esses efeitos, ao passo que investir em placas mais espessas pode ser um ponto chave para melhorar a durabilidade e a confiabilidade dos trocadores de calor a placas gaxetadas.

Abstract: Gasketed plate heat exchangers (GPHEs) are widely used in the petrochemical, food, and textile industries. These exchangers primarily fail due to gasket expulsion caused by pressure and temperature gradients between the plates. The specialized literature offers limited insights into failure modes and structural analysis, focusing instead on thermal and hydrodynamic performance. This study aims to evaluate the structural, thermal, and hydrodynamic behavior of gasketed heat exchangers through experimental and theoretical analyses. Strain measurements were conducted during equipment assembly and operational conditions, considering different plate materials (316L stainless steel and Grade 1 Titanium), thicknesses (0.5, 0.6, 0.7 mm), chevron angles (L and H plates), and tightening distances. The analysis of thermal and mechanical coupling reveals that mechanical contributions dominate in thinner plates (0.5 mm), while thermal contributions become more prominent in thicker plates. Overall, the most challenging scenario occurs with thinner plates. The expected thermal and hydrodynamic behavior due to H and L plate geometries was observed: Nusselt numbers and friction factors increased with higher Chevron angles. For H channels, the Nusselt number increased with decreasing tightening distances, higher aspect ratios, and thinner plates. The friction factor is significantly affected by the inlet pressure difference between hot and cold streams, especially in H channels. Friction factors decrease with increasing tightening distances and plate thicknesses but increase significantly with pressure differences between streams. The study results reveal that the GPHE assembly process represents the highest mechanical demand during the equipment's life. While their versatility allows for disassembly and reconfiguration, it also exposes them to stresses exceeding yield limits. However, increasing plate thickness can mitigate these effects, suggesting that investing in thicker plates could be key to enhancing the durability and reliability of gasketed plate heat exchangers.