Análise térmica e hidrodinâmica de permutadores de calor do tipo placas

Abstract

Trocadores de calor são dispositivos que promovem a transferência de energia térmica entre dois ou mais fluidos a diferentes temperaturas. Trocadores de calor do tipo casco e placas (PSHE ? Plate and Shell Heat Exchanger) consistem de um pacote de placas soldadas alojadas dentro de um casco cilíndrico com placas corrugadas do tipo Chevron, que proporcionam alto desempenho térmico e compactibilidade. A possibilidade de operação sob condições mais severas de temperatura e pressão indica que PSHEs são potenciais substitutos de trocadores de calor usuais do tipo placas. Para aprimorar o dimensionamento e a seleção de trocadores de calor casco e placas, é essencial a investigação de seu desempenho termo-hidráulico. Neste trabalho, os efeitos da geometria dos canais do PSHE na queda de pressão, na transferência de calor e nas forças atuando nas placas são investigados com o auxílio da técnica de velocimetria por rastreamento de partículas (PTV ? Particle Tracking Velocimetry). Avaliações do campo de velocidades por PTV são realizadas em três configurações de canais: 15/15°, 45/45° e 15/45°. Medições de perda de carga e desempenho térmico também são realizados em um PSHE comercial. O escoamento é bem-comportado na entrada do canal e caracterizado pela presença de zonas de recirculação em sua saída. A diferença entre os campos de velocidade da entrada e da saída do canal pouco afetam o perfil de velocidade média nas seções transversais do canal. A velocidade na direção principal do escoamento é aproximadamente simétrica em relação à seção transversal do plano central do canal para ângulos de Chevron iguais a 15/15° e 45/45°, enquanto um perfil assimétrico de velocidades caracteriza o canal com ângulo misto 15/45°. O ângulo de Chevron também afeta a trajetória principal de partículas fluidas. Trajetórias longitudinais em zig-zag são observadas no canal 15/15°, enquanto no canal 45/45° predominam trajetórias ao longo da direção das corrugações. A diferença de pressão foi medida no interior do casco de um PSHE comercial. Nas presentes condições de testes, foi determinada a má-distribuição de vazão em canais no ramal do casco: a mínima e máxima vazões, redução de 45% e aumento de 75% da vazão média, respectivamente, ocorrem nas extremidades e no centro do trocador. Novas correlações para fator de fricção e número de Nusselt foram obtidas. As estimativas da taxa de transferência de calor via modelagem térmica a partir das novas correlações diferem dos valores experimentais em um intervalo inferior a ±10%.

Abstract: Heat exchangers are devices that promote the transfer of thermal energy between two or more fluids at different temperatures. Plate and Shell Heat Exchangers (PSHE) consist of a fully welded plate pack enclosed within a cylindrical shell with chevron-type plates, that provide high-thermal performance and compactness. The operation under severe pressure and temperature conditions is an important advantage over typical plate heat exchangers. The investigation of thermo-hydraulic performance is therefore essential to improve the design of PSHE heat exchangers. In this work the effect of the PSHE plate geometry on pressure drop, heat transfer and forces acting on a typical plate will be investigated with the aid of Particle Tracking Velocimetry (PTV). Flow field evaluations have been performed for three channel configurations: 15/15°, 45/45° e 15/45°. Pressure drop and thermal performance measurements were performed in a commercial PSHE. Organized flow features prevail in the channel inlet, whereas a recirculation zone characterizes the turbulent flow field at the outlet. The differences between the entrance and exit velocity fields hardly affect the symmetry of the mean velocity profile in a given channel cross-section. The streamwise velocity is nearly symmetric with respect to the channel mid-plane for 15/15° and 45/45° channels, while for the mixed 15/45° channel an asymmetric velocity profile is observed. The Chevron angle has been shown to affect main fluid particle trajectories. Longitudinal zig-zag trajectories occur at the 15/15° channel, whereas fluid particle trajectories mainly follow the corrugation furrows at the 45/45° channel. The pressure drop inside the shell of a commercial PSHE is measured. In the given experimental conditions, flow maldistribution was determined in the shell side: the minimum and maximum flow rates occur at the extremities and at the centre, respectively. Minimum and maximum values correspond to -45% and +75% of the average channel flow rate. Friction factor and Nusselt number correlations were provided. Heat transfer modelling with the new correlations predicts the total heat transfer rate with relative errors in the range ±10%.