Análise térmica de trocadores de calor compactos fabricados por impressão 3D

Abstract

Trocadores de calor compactos são caracterizados por possuírem elevada área de transferência de calor por unidade de volume, sendo empregados principalmente em aplicações onde o espaço e o peso são restritos, presentes nos setores aeroespacial, automotivo e naval. Os processos de fabricação já consolidados na indústria dificilmente utilizam configurações de canais com caminhos complexos, por serem muito custosas ou até mesmo impossíveis de serem fabricadas. Com o uso da impressão 3D é possível explorar as mais diversas geometrias de canais, idealizadas em modelos CAD. No presente trabalho, foi realizada uma análise da viabilidade do uso da manufatura aditiva na fabricação de trocadores de calor compactos. Para isso, foram realizados testes experimentais em protótipos poliméricos, produzidos pelas tecnologias de modelagem por fusão e deposição (FDM) e sinterização seletiva a laser (SLS), de modo a avaliar o comportamento térmico e hidrodinâmico dos trocadores. Eles foram testados com ar a temperatura ambiente e água em altas temperaturas em uma ampla faixa de número de Reynolds, compreendendo desde o escoamento laminar até o turbulento, totalizando 150 testes experimentais. Adicionalmente um modelo matemático para prever o comportamento térmico do protótipo foi desenvolvido e validado a partir dos dados experimentais, com um erro médio de aproximadamente 3,5 %.

Compact heat exchangers are characterized by high heat transfer surface area per unit of volume, mainly used in applications where space and weight are restricted, present in the aerospace, automotive and naval sectors. The manufacturing processes already consolidated in the industry barely use complex configurations of the exchanger channels due to high cost or even impossibility to be manufactured. With the use of 3D printing it is possible to explore the most diverse channels geometries, idealized on CAD models. In the present work it was made a feasibility analysis for the use of additive manufacturing in compact heat exchangers. Experimental tests in polymeric prototypes, using the Fused Deposition Modeling (FDM) and Selective Laser Sintering (SLS) technologies were taken, evaluating the thermal and hydrodynamic behavior of the exchangers. They were tested with air at room temperature and water at high temperatures over a wide Reynolds number range, from laminar to turbulent flow, comprising 150 experimental tests. Additionally, a mathematical model to predict the thermal behavior of the exchanger was developed and validated from the experimental data, with an average error of approximately 3.5%.