Análise da perda de carga e má distribuição em trocador de calor compacto fabricado por impressão 3D

Abstract

Trocadores de calor compacto são equipamentos caracterizados pela alta razão de área de transferência térmica por unidade de volume, sendo aplicados em situações onde o espaço e o peso são limitados. Os processos convencionais de fabricação de trocadores de calor dificilmente utilizam configurações de canais com caminhos complexos, devido ao custo e dificuldade de fabricação. Com o avanço da tecnologia, utilizando a técnica de manufatura aditiva, torna-se possível explorar diferentes configurações geométricas de canais e caminhos. No presente trabalho, foi realizada uma análise da viabilidade de fabricação de um protótipo de trocador de calor compacto por manufatura aditiva. 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 a perda de carga no sistema e a má distribuição em bocais. Os testes de perda de carga, foram realizados com ar comprimido a temperatura ambiente em uma ampla faixa de número de Reynolds, abrangendo desde o escoamento laminar até o turbulento, totalizando 76 testes experimentais. Um modelo teórico foi desenvolvido e validado para prever o comportamento da perda de carga no trocador, tendo um erro médio de aproximadamente 16%. Testes de má distribuição de água e de ar em bocais foram realizados com água a temperatura ambiente em 8 níveis de vazão para 2 configurações de bocais, e ar comprimido a temperatura ambiente em 18 níveis de vazão totalizando 36 testes experimentais. Verificou-se a presença da má distribuição para baixas vazões. Um modelo analítico foi desenvolvido e validado para prever a perda de carga no bocal fabricado, apresentando um erro médio de 19%.

Compact heat exchangers are equipment characterized by high ratio of thermal transfer area per unit volume and are used in situations where space and weight are limited. Heat exchanger manufacturing processes hardly use complex channel configurations due to use and manufacturing difficulty. With the advancement of technology using the additive manufacturing technique, it becomes possible to explore different geometric configurations of channels. In the present work, an analysis of the feasibility of manufacturing a compact heat exchanger model by additive manufacturing was performed. Experimental tests were performed on polymeric prototypes, used by fusion and deposition modeling (FDM) and selective laser sintering (SLS) technologies, to evaluate the pressure drop in the system and the maldistribution in the nozzles. The pressure drop tests were performed at ambient temperature over a wide range of Reynolds numbers, ranging from laminar flow to turbulence, totaling 76 experimental tests. A theoretical model was developed and validated to predict the pressure drop behavior of the heat exchanger, with an average error of approximately 16%. Water and air maldistribution in nozzle tests were performed with ambient temperature water at 8 flow levels for 2 nozzle configurations and ambient temperature compressed air at 18 flow levels, totaling 36 experiment tests. Maldistribution for low flow rates was found. An analytical model was developed and validated to predict an manufactured nozzle pressure drop, presenting an average error of 19%.