Thermal and hydraulic analysis of a diffusion-bonded heat exchanger

Abstract

Trocadores de calor são equipamentos que transferem energia térmica entre dois ou mais fluidos. Estes equipamentos são amplamente difundidos em diferentes áreas, desde automotivo e aeronáutico até indústrias petroquímicas e de produção de energia. Trocadores de calor unidos por difusão são candidatos promissores à trocadores de alta eficiência. Estes equipamentos podem suportar pressões de até 50 MPa e temperaturas de até 800 ° C, apresentam grandes áreas de superfície de transferência de calor, alta compacidade e possibilidade de modularização. No entanto, a maior parte das investigações científicas concentram-se em aplicações envolvendo os fluidos dióxido de carbono e hélio. No presente estudo, um trocador de calor unido por difusão, com um novo canal em zigue-zague, fabricado de maneira análoga aos do tipo ?circuito impresso? é testado térmica e hidraulicamente. Duas combinações de fluidos são exploradas. Primeiro, o protótipo é testado com água em ambas as correntes de fluido. Através da variação nas condições de vazão de entrada, o desempenho térmico do protótipo é avaliado. Uma correlação do número de Nusselt envolvendo os números adimensionais de Reynolds e Prandtl é desenvolvida para a transferência de calor para água, abrangendo os regimes de fluxo de laminar à turbulento. No regime laminar, o número de Nusselt relativo à geometria proposta é cerca de 4,1 vezes maior do que o observado para um canal reto. Na segunda combinação, o protótipo é testado com ar e água, sendo seu desempenho térmico e hidráulico avaliado em função do fluxo de ar. As características de transferência de calor e queda de pressão são correlacionadas com o número de Nusselt e o fator de atrito de Fanning. Dados de trocadores de calor unidos por difusão semelhantes ao do presente trabalho, porém com geometrias de canais distintas, são revisitados e usados como comparação com o protótipo atual. Observa-se que a geometria proposta apresenta um fator de atrito Fanning até 9,9 vezes maior quando comparada à um canal reto. Esta avaliação dos resultados, incluindo diferentes fluidos, regimes de fluxo e geometrias de canal, permite uma melhor compreensão do desempenho térmico e hidráulico de trocadores de calor unidos por difusão.

Abstract: Heat exchangers are equipment that transfers thermal energy between two or more fluids. This equipment is widely used in different fields, from automobile and avionics to petrol-chemical and power-engineering. Among the existing types of heat exchangers, the printed-circuit heat exchanger is a high efficiency equipment, in addition to withstanding high pressures and temperatures. This highly-engineered equipment can stand pressures up to 50 MPa and temperatures up to 800°C, present large heat transfer surface areas, high compactness, and the possibility of modularization. However, most scientific investigations focus on its application with carbon dioxide and helium as working fluids. In the current study, a diffusion-bonded heat exchanger, with a novel zigzag channel is thermally and hydraulically evaluated. Two different layout configurations are explored. First, the prototype is tested with water in both fluid streams. Through the variation on the inlet flow conditions, the thermal performance of the prototype is evaluated. The heat transfer capabilities of its channel geometry are synthesized through the development of a Nusselt number correlation for water, based on dimensionless Reynolds and Prandtl numbers, covering laminar to turbulent flow regimes. In the laminar regime, the current geometry increases the Nusselt number up to 4.1 times when compared to a straight channel. Second, the prototype is tested in an air-water layout. The thermal and hydraulic performance is evaluated as a function of the airflow. The heat transfer and the pressure drop are evaluated by correlation involving the Nusselt number and the Fanning friction factor. Data from similar diffusion-bonded heat exchangers with different zigzag channels is revisited and used to compare with the performance of the current prototype. The current geometry rises the Fanning friction factor up to 10 times when compared to a straight channel one. This assessment of results, including different fluids, flow regimes, and channel geometries, allows for a better understanding of the thermal and hydraulic performance of diffusion-bonded heat exchangers.