Minimização da incrustação em processos de troca térmica a partir de otimização geométrica

Abstract

A incrustação consiste no acúmulo indesejado de material em superfícies, sendo um dos problemas de menor entendimento durante o projeto de trocadores de calor. A incrustação compõe uma camada extra de material, adicionando resistência à transferência de calor e consequentemente diminuindo a taxa de calor trocado ao longo do tempo. Nas refinarias, a incrustação é um problema corriqueiro que afeta tanto as tubulações quanto os trocadores de calor. Os sais dissolvidos no fluido térmico se depositam nas paredes dos trocadores devido à variação na temperatura, processo conhecido como cristalização. Com o aumento da busca por qualidade e redução de custo, o fenômeno da incrustação tem ganhado enfoque, à medida que novas abordagens para o dimensionamento de trocadores surgem, com o uso da mecânica dos fluidos computacional como ferramenta para o entendimento do fenômeno de incrustação. Baseado nesses tópicos, no presente trabalho busca-se minimizar a taxa de material depositado através do método de otimização descrito por Bejan e Morega (1994). A otimização tem como objetivo maximizar a transferência de calor para o fluido e consequentemente reduzir a temperatura da parede através da utilização de relações geométricas ótimas D/L (espaçamento/comprimento). Para atingir o objetivo, foi construída uma rotina numérica em software comercial (COMSOL Multiphysics® (2017)) para resolver o problema conjugado de escoamento, transferência de calor e incrustação. Posteriormente, a metodologia de otimização foi aplicada para encontrar a geometria utilizada durante as simulações. Como fonte de dados, foi utilizado um trabalho disponível na literatura. Os dados foram usados para validação da simulação e para comparação das geometrias experimental e otimizada. Dois modelos matemáticos foram utilizados durante o processo de simulação, modelo de incrustação inicial e modelo de incrustação transiente. O método de otimização empregado apresentou resultados promissores para ambos os modelos. Quando comparado os resultados da simulação numérica entre literatura e geometria otimizada, notou-se uma redução de até 80% para a taxa de deposição mássica do agente incrustante.

Abstract: Fouling consists of the unwanted accumulation of material on surfaces, which is one of the most minor understood problems during the design of heat exchangers. The inlay forms an extra layer of material, adding resistance to heat transfer and decreasing the heat exchange rate over time. In refineries, fouling is a common problem affecting piping and heat exchangers. The salts dissolved in the thermal fluid are deposited on the walls of the exchangers due to the temperature variation, a process known as crystallization. With the increasing search for quality and cost reduction, the fouling phenomenon has gained focus as new approaches to heat exchanger design emerge, using computational fluid mechanics to understand the fouling phenomenon. Based on these topics, the present work seeks to minimize the deposited material rate through the optimization method described by Bejan e Morega (1994). The optimization aims to maximize the heat transfer to the fluid and consequently reduce the wall temperature by using optimal D/L (spacing/length) geometric relationships. To achieve the objective, a numerical routine was built in commercial software (COMSOL Multiphysics® (2017)) to solve the combined problem of flow, heat transfer, and fouling. Subsequently, the optimization methodology was applied to find the geometry used during the simulations. As a data source, a work available in the literature was used. The data were used for simulation validation and comparison of experimental and optimized geometries. Two mathematical models were used during the simulation process, the initial fouling model and the transient fouling model. The optimization method employed showed promising results for both models. When comparing the numerical simulation results between literature and optimized geometry, a reduction of up to 80% was observed for fouling agent mass deposition rate.