Análise experimental da influência do espaçamento de placas no desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor de placas gaxetadas

Abstract

Trocadores de calor são dispositivos amplamente utilizados em diversos setores industriais. Por serem equipamentos compactos, eficientes e simples de montar e desmontar, os trocadores de calor a placas tornaram-se ideais para transferir energia térmica entre fluidos em inúmeras aplicações. Em trocadores de calor a placas gaxetadas (GPHEs), a deformação elástica das placas causada pela diferença de pressão de entrada (breathing effect) e a influência do espaçamento entre placas, também chamado de aperto, pode impactar no desempenho termo-hidráulico do dispositivo, afetando o seu funcionamento. Tanto o fenômeno do breathing effect como a característica do aperto são pouco explorados na literatura. Apresenta-se neste trabalho uma análise experimental da influência do espaçamento de placas no desempenho termo-hidráulico de GPHEs para três tipos de placas distintas do tipo Chevron, denominadas por placas simples ou convencionais, placas duplas (double wall plates) e placas semi-soldadas (semi-welded plates). Uma bancada experimental foi adaptada para a realização dos testes. Os experimentos realizados consistiram em um conjunto de 39 placas, submetidas a três níveis de aperto: 1,02A (aperto mínimo), 1,00A (aperto nominal) e 0,98A (aperto máximo). Foram avaliados o comportamento térmico e hidrodinâmico para as diversas configurações, com vazões mássicas iguais em ambos os ramais, variando a diferença de pressão de entrada de -2 a 2 bar, em intervalos de 0,5 bar. Correlações para a determinação do fator de fricção e número de Nusselt foram propostas e comparadas a correlações obtidas na literatura. Por meio dos testes efetuados, verificou-se que o fator de fricção sofria maiores mudanças quando a diferença de pressão de entrada era próxima de 0 bar, permanecendo constante para outros valores. Além disso, os valores de fator de fricção obtidos para o ramal estrangulado mostraram superioridade com relação ao ramal expandido. O fator de fricção, e consequentemente a taxa de transferência de calor, aumentaram em maiores níveis de aperto. O breathing effect é menos evidente para o nível máximo de aperto, devido à menor liberdade de movimentação e deformação elástica das placas nessa condição. A diferença de pressão de entrada entre os ramais não causou mudanças expressivas no desempenho térmico das configurações testadas. As placas duplas apresentaram a menor efetividade, resultado de um aumento da resistência térmica causada por uma camada de ar presente entre as placas.

Heat exchangers are devices widely used in various industrial sectors. Due to their compact design, efficiency, and simplicity of assembly and disassembly, plate heat exchangers have become ideal for transferring thermal energy between fluids in numerous applications. In gasketed plate heat exchangers (GPHEs), the elastic deformation of the plates caused by the pressure differential at the inlet (breathing effect) and the influence of the plate spacing, also referred to as clamping, can impact the thermo-hydraulic performance of the device, affecting its operation. Both the breathing effect phenomenon and the clamping characteristic are scarcely explored in the literature. This study presents an experimental analysis of the influence of plate spacing on the thermo-hydraulic performance of GPHEs for three distinct types of Chevron plates: conventional plates, double wall plates and semi-welded plates. An experimental test bench was adapted to conduct the tests. The experiments were performed using a set of 39 plates subjected to three clamping levels: 1.02A (minimum clamping), 1.00A (nominal clamping), and 0.98A (maximum clamping). The thermal and hydrodynamic behavior was evaluated for various configurations, with equal mass flow rates in both channels, while varying the inlet pressure differential from -2 to 2 bar in 0.5 bar increments. Correlations for determining the friction factor and Nusselt number were proposed and compared with those found in the literature. Through the conducted tests, it was observed that the friction factor experienced more significant changes when the inlet pressure differential was close to 0 bar, remaining constant for other values. Furthermore, the friction factor values collected for the constricted channel were higher than those obtained for the expanded channel. The friction factor, and consequently the heat transfer rate, increased at higher clamping levels. The breathing effect was less evident at the maximum clamping level due to the reduced freedom of movement and elastic deformation of the plates in this condition. The inlet pressure differential between channels did not cause significant changes in thermal performance of the tested configurations. Double wall plates showed the lowest effectiveness, resulting from an increase in thermal resistance caused by an air layer present between the plates.