Numerical analysis of hydrodynamic characteristics of a plate and shell heat exchanger (PSHE)

Abstract

O permutador de calor de placas soldadas (PSHE) é um trocador de calor que apresenta um formato compacto e robusto, sendo uma variação do trocador de calor de placas (PHE). O presente trabalho apresenta uma análise de um par de placas de um PSHE empregando dinâmica computacional dos fluidos (CFD) para determinar as suas características hidrodinâmicas para três configurações de ângulo de Chevron, 15°x15°, 45°x45° e 15°x45°. Para tanto o programa comercial ANSYS CFX é empregado. Dois modelos de turbulência, Standard k ? e e SST (Shear-Stress-Transport), foram empregados na análise e seus resultados analisados para comparação. Dados experimentais de perda de carga e linhas de corrente do escoamento foram empregados na validação dos modelos numéricos e na análise das simplificações nos modelos geométricos. Resultados de perda de carga no par de placas obtidos pelo modelo numérico apontam um desvio com relação aos dados experimentais máximo de 11,40% para a configuração 45°x45° (1993 < Re < 7529), 13,20% para a configuração de 45°x15° (1305 < Re < 6153) e acima de 60% para a configuração de 15x15° (1332 < Re < 4034). Apesar do elevado erro na configuração 15x15° para perda de carga, o formato das linhas de corrente encontradas no modelo numérico concordam com o encontrado experimentalmente e também descrito na literatura para baixos ângulos de Chevron, em zig-zag. Para a configuração 45x45° o formato com reflexão do escoamento pelas bordas da placa, também descrito na literatura, foi visualizado, enquanto que para a configuração 45x15° uma mistura do comportamento dos dois ângulos foi encontrado. A comparação com as correlações experimentais empregadas para os PHEs indicou que as correlações de Kumar (1984) para ß = 65° e ß = 45° apresentam valores de perda de carga equivalentes aos encontrados pelo modelo numérico, apesar de não haver concordância com a definição do ângulo de Chevron indicado nas correlações, o que sugere que possivelmente os resultados de Nu e força de atrito, derivados destas correções, também possam ser aplicados as placas do PSHE em conjunto com os dados obtidos por meio do modelo numérico proposto.

Abstract: The Plate-Shell Heat Exchanger (PSHE) is a heat exchanger that has a compact and robust shape, which is a variation of the plate heat exchanger (PHE). This paper presents a plate pair analysis of a PSHE employing the computational fluid dynamics (CFD) to determine the hydrodynamic characteristics for three Chevron angle configurations, 15°x15°, 45°x45° and 45°x15°. Therefore, the ANSYS CFX trading program is employed. Two turbulence models, Standard k-e and SST (Shear-Stress-Transport), were employed in the analysis and their results analyzed for comparison. Experimental pressure drop data and flow current lines were used to validate numerical models and to analyze simplifications in geometric models. Plate pair pressure drop results obtained by the numerical model indicate a deviation from the maximum experimental data of 11.40% for the 45°x45° configuration (1993 = Re = 7529), 13.20% for the 45°x15° configuration (1305 = Re = 6153) and above 60% for the 15°x15° configuration (1332 = Re = 4034). Despite the high error in the 15°x15° configuration for pressure drop, the shape of the current lines found in the numerical model agree with that found experimentally and also described in the low angle Chevron zig-zag literature. The 45°x45° configuration the shape with reflection of the plate edge flow, also described in the literature, was visualized, while for the 45°x15° configuration a mixture of the behavior of the two angles was found. Comparison with the experimental correlations employed for the PHEs indicated that the correlations of Kumar (1984) for ß = 65° and ß = 45° present pressure drop values equivalent to those found by the numerical model, although there is no agreement with the definition of the Chevron angle indicated in this correlations, which suggests that possibly the results of Nu and frictional strength derived from these corrections may also be applied to the PSHE plates together with the data obtained through the proposed numerical model.