Numerical analysis on thermal hydraulic performance of a compact heat exchanger manufactured by additive manufacturing

Abstract

Permutadores de calor são amplamente utilizados em aplicações industriais e domésticas. Um tipo bastante empregado em plataformas offshore são os trocadores de calor compactos (CHE), devido à sua alta eficiência térmica, condições de operação elevadas e alta densidade de área. A constante busca por métodos de aprimoramento para a transferência de calor culminou no desenvolvimento de novos tipos de CHEs, como o trocador de calor de circuito impresso (PCHE) e posteriormente o trocador de calor manufaturado por fusão seletiva a laser (SLMHE), objeto de interesse do presente estudo. Este trabalho é divido em duas etapas, a primeira etapa consiste em analisar, empregando a dinâmica computacional dos fluidos (CFD), o desempenho termo hidráulico de um SLMHE, fabricado em aço inoxidável AISI 316L, de fluxo cruzado (água quente e ar em temperatura ambiente) com núcleo cúbico e mini canais circulares retos. Além disso, foi desenvolvido e avaliado um núcleo com mini canais semicirculares mantendo as proporções do protótipo (diâmetro hidráulico e área total de transferência de calor). Na segunda etapa, um conjunto de dois canais (quente e frio) com diferentes arranjos (circular reto, circular reto deformado e circular caótico) foram desenvolvidos e analisados de modo a estudar a influência do formato dos canais no desempenho termo hidráulico de trocadores de calor. As simulações foram realizadas com o auxílio do programa ANSYS CFX e validadas através de dados experimentais para o núcleo completo com canais circulares e pelo modelo numérico para o canal individual circular reto. A definição da melhor configuração de canais, foi realizada através da comparação dos resultados obtidos para a taxa de transferência de calor e a perda de carga em uma determinada faixa de Re. O núcleo completo com canais circulares apresentou resultados inferiores aos experimentais na taxa de transferência de calor no ramal quente, e superiores no ramal frio, com diferença média de 5% e 10%, respectivamente. Já na queda de pressão, o modelo numérico obteve resultados inferiores aos experimentais, com uma diferença média de 35% no ramal quente e 19% no ramal frio. O núcleo completo com canais semicirculares apresentou resultados similares ao de canais circulares, mostrando uma redução de 6% na taxa de transferência de calor, em ambos os ramais. Na queda de pressão, a redução de foi 12% e 15%, nos ramais quente e frio, respectivamente. Dentre os canais individuais, apesar do canal caótico apresentar os maiores resultados, foi o canal circular reto que exibiu a melhor combinação entre transferência de calor e queda de pressão.

Abstract: Heat exchangers have widely used in industrial and domestic applications. One type frequently employed in offshore platforms is compact heat exchangers (CHE) due to their high thermal efficiency, high operating conditions, and high-density area. The constant search for improved methods for heat transfer has culminated in the development of new types of CHEs, such as the printed circuit heat exchanger (PCHE) and later the heat exchanger manufactured by selective laser melting (SLMHE), the object of interest of the present study. This work is divided into two stages. The first stage involves analyzing an SLMHE thermal-hydraulic performance, made of AISI 316L stainless steel, with a cross-flow design (hot water and air at room temperature) with a cubic core and straight circular mini channels, using computational fluid dynamics (CFD). In addition, an entire core with semicircular mini channels was developed and evaluated, maintaining the proportions of the prototype (hydraulic diameter and total heat transfer area). In the second stage, a two-channel set (hot and cold) with different arrangements (straight circular, deformed circular, and chaotic circular) was developed and analyzed to study the influence of channel shape on the thermal-hydraulic performance of heat exchangers. The simulations were evaluated using ANSYS CFX software and validated using experimental data for the complete core with circular channels and the numerical model for the individual straight circular channel. The optimal channel configuration was determined by evaluating the heat transfer rate and pressure drop results within a specific range of Reynolds numbers. The complete core with circular channels presented inferior results compared to the experimental results for the hot branch heat transfer rate and superior results for the cold branch, with an average difference of 5% and 10%, respectively. In the pressure drop, the numerical model obtained inferior results compared to the experimental data, with an average difference of 35% on the hot branch and 19% on the cold branch. The entire core with semicircular channels presented similar results to the circular channels, with a reduction of 6% in heat transfer rate on both branches. The hot and cold branches experienced a 12% and 15% reduction in pressure drop, respectively. Amongst the individual channels, the chaotic circular channel showed the highest results, but the straight circular channel exhibited the best combination of heat transfer and pressure drop.