Analise térmica e hidrodinâmica de trocadores de calor compactos fabricados por manufatura aditiva

Abstract

A demanda por trocadores de calor compactos de elevada efetividade tem estimulado o emprego da manufatura aditiva como método alternativo de fabricação. O potencial dessa técnica de fabricação em criar trocadores de calor com geometrias complexas constituídos de materiais ou ligas inconvencionais pode resultar em desempenho termo-hidraúlico superior aos dos trocadores encontrados na indústria em geral. Dessa forma, este trabalho tem o objetivo de analisar o desempenho termo-hidráulico de um protótipo de trocador de calor fabricado através de um processo de manufatura aditiva conhecida por fusão seletiva a Laser (selective laser melting - SLM). O protótipo tem arranjo do tipo fluxo cruzado e formato cúbico com as seguintes características e dimensões: canais retos circulares de 2 mm de diâmetro e 100 mm de aresta. A seleção dessa configuração permite comparação direta a trocadores de calor compactos do tipo circuito impresso, também conhecidos por Printed Circuit Heat Exchangers (PCHE). A qualidade do processo de fabricação foi determinada em laboratório: o protótipo possui massa específica relativa de 99,8% e rugosidade superficial média igual a 12,21 µm. A matéria-prima selecionada foi o aço inox 316L, material típico da indústria de óleo e gás. Desenvolveram-se modelos teóricos térmico e hidráulico com a finalidade de avaliar as temperaturas e pressões de saída em cada ramal. A discretização dos modelos permite a obtenção da pressão e temperatura locais ao longo de cada canal em ambos os ramais. A validação dos modelos ocorreu através de testes em bancada experimental. O protótipo foi avaliado com água, ar e óleo em três configurações: água/ar, óleo/ar e água/água; e em dois regimes de escoamento: regime de transição e turbulento. Testes ocorreram com temperaturas e pressões de entrada variando entre 40 e 50 oC, e 1 e 5,8 bar. O erro médio entre as taxas de transferência de calor obtidas pelo modelo e por experimentos é 19% para a configuração água/ar, 10% para configuração óleo/ar, e 14% para o arranjo água/água. O erro médio relativo à pressão de saída obtida por modelo e por experimentos nos ramais frios é de 17% e 14% para os fluidos ar e água, respectivamente. A perda de carga relativa ao núcleo do protótipo correspondeu a 87% da queda de pressão total. Utilizando o modelo hidrodinâmico, verificou-se que a rugosidade superficial tem pouca influência na perda de carga. O efeito da condutividade térmica na taxa de transferência de calor foi determinada a partir da mudança do material base do núcleo no modelo proposto. Para números de Reynolds da ordem de 104, a taxa de transferência de calor pode ser duas vezes superior se aço inox 316L foi empregado ao invés de nylon. Os resultados obtidos comprovaram a eficácia de trocadores de calor fabricados via técnica SLM, tornando-se alternativa concreta a trocadores do tipo PCHE.

Abstract: The demand for higher heat transfer effectiveness has stimulated the combination of compact heat exchangers and additive manufacturing. The potential to fabricate complex geometries with different materials can optimize the trade-off between heat transfer and pressure drop in different fields. In this work, thermal and hydrodynamic performance were analyzed for a cross-flow compact heat exchanger manufactured with the Selective Laser Melting - SLM process, an alternative to Printed Circuits Heat Exchangers (PCHE). The heat exchanger core has a cubic format with 100 mm edge and 2 mm channel diameter. The quality of the manufacturing process was determined in the laboratory:The relative density of the prototype is 99,8% and the surface roughness measured was 12,21 µm. The raw material used is AISI 316L stainless steel, typical material in the oil and gas industry. Theoretical models for thermal and hydrodynamic performance were developed to predict the outlet temperature and pressure of each side. The models discretization obtain the local pressure and temperature along each channel in both branches. The circular mini channels models are validated with experimental data. The prototype was evaluated with water, air, and oil; in three configurations: water/air, oil/air, and water/water; and in two flow regimes: transitional, and turbulent. Tests were made with inlet temperatures and pressures ranging between 40 and 50 oC; and 1 and 5.8 bar. The average errors for the thermal models are 19% for the water/air configuration, 10% for the oil/air configuration, and 14% for the water/water arrangement. The hydrodynamic model for the cold side has a mean relative errors of 17% and 14% for the air and water, respectively. The pressure drop due to the core corresponded to 87% of the total pressure drop. Using the hydrodynamic theoretical model, the impact of surface roughness in the pressure drop was negligible. Besides, the influence of thermal conductivity was based on the change of the material on the thermal model. Replacing the core material in the thermal performance is significant in the turbulent regime. For Reynolds numbers on the order of 104, the heat transfer rate can be twice as high if the 316L stainless steel is used instead of nylon. The SLM heat exchangers have the potential to be an alternative to PCHEs.