Análises térmica e hidrodinâmica de trocadores de calor a placas com características especiais

Abstract

Trocadores de calor desempenham um papel crucial na transferência eficiente de energia térmica entre fluidos. Os trocadores do tipo placas gaxetados destacam-se pela sua vasta empregabilidade em diversos setores industriais. Suas dimensões, formatos e especificações são diversas, contribuindo para a complexidade no dimensionamento, especialmente durante a seleção das correlações empíricas. Esta dissertação concentrou-se na análise experimental de placas de trocadores de calor com construções especiais, denominados aqui de paredes dupla (double wall plates) e semi-soldadas (semi-welded plates), comparando-as com as placas convencionais. Todos os modelos de placas analisados possuem as mesmas dimensões: comprimento de 580 mm e largura de 210 mm, corrugações do tipo chevron 'H' com ângulo de 60°, proporcionando elevada transferência de calor. A adaptação da bancada experimental permitiu uma análise abrangente do desempenho térmico e hidrodinâmico dessas placas especiais em comparação com as placas convencionais. A investigação experimental destacou que, quando o trocador é submetido a diferentes pressões de entrada entre seus ramais, ocorre uma alteração no comportamento hidrodinâmico, proporcionando fatores de fricção distintos para cada tipo de placa, assunto pouco explorado na literatura. Em termos térmicos, constatouse que essa influência é desprezível. A análise sistemática das correlações de Nusselt, fator de fricção e distribuição do fluido obtidas experimentalmente revelou diferenças significativas com aquelas disponíveis na literatura. Essa variação motivou a elaboração de novas correlações empíricas específicas para trocadores de calor com placas não convencionais, baseadas nos resultados experimentais. Estas novas correlações demostraram ser mais adequadas para prever os desempenhos térmico e hidrodinâmico desses dispositivos, apresentando diferenças inferiores a 13% e 5%, respectivamente. Em síntese, este estudo mostrou que placas de dimensões totais idênticas e mesmo padrão de corrugação, porém com padrões de construção distintos, apresentam comportamento térmico e hidrodinâmico diferentes. Essa compreensão mais aprofundada é crucial para otimizar tanto o projeto quanto a operação desses trocadores em diversas aplicações práticas.

Abstract: Heat exchangers play a crucial role in efficiently transferring thermal energy between fluids. Gasketed plate heat exchangers stand out for their widespread use in various industrial sectors. Their dimensions, shapes, and specifications vary, contributing to the complexity in sizing, especially during the selection of empirical correlations. This dissertation focused on the experimental analysis of heat exchanger plates with special constructions, here referred to as double wall plates and semi-welded plates, comparing them with conventional plates. All analyzed plate models have the same dimensions: a length of 580 mm and a width of 210 mm, with chevron 'H' type corrugations with a 60° angle, providing high heat transfer. The adaptation of the experimental setup allowed for a comprehensive analysis of the thermal and hydrodynamic performance of these special plates compared to conventional plates. The experimental investigation highlighted that when the exchanger is subjected to different inlet pressures between its branches, there is a change in hydrodynamic behavior, resulting in distinct friction factors for each type of plate, a topic scarcely explored in the literature. In thermal terms, it was found that this influence is negligible. The systematic analysis of the experimentally obtained Nusselt correlations, friction factor, and fluid distribution revealed significant differences from those available in the literature. This variation prompted the development of new empirical correlations specific to heat exchangers with unconventional plates, based on experimental results. These new correlations proved to be more suitable for predicting the thermal and hydrodynamic performances of these devices, showing differences of less than 13% and 5%, respectively. In summary, this study showed that plates with identical overall dimensions and the same corrugation pattern, but with different construction patterns, exhibit different thermal and hydrodynamic behavior. This deeper understanding is crucial for optimizing both the design and operation of these exchangers in various practical applications.