Análise estrutural, térmica e hidrodinâmica de trocadores de calor compactos de canais complexos fabricados por manufatura aditiva

Abstract

Trocadores de calor compactos (CHEs, do inglês Compact Heat Exchangers) operam com altas temperaturas e pressões, requerendo um projeto geométrico adequado para suportar estas condições. Esses equipamentos devem ter bom desempenho termo hidráulico, enquanto suportam elevadas tensões termomecânicas. A maioria dos trabalhos estuda separadamente o comportamento termo hidráulico e estrutural. O presente trabalho propõe uma abordagem diferente sendo avaliada a resistência termomecânica e o desempenho termo hidráulico de CHEs fabricados por manufatura aditiva (MA). Esta é uma das primeiras pesquisas a avaliar as tensões termomecânicas transientes em trocadores de calor, além de estudar o comportamento térmico e hidrodinâmico de um novo canal com caminho complexo. Ambos os estudos empregam experimentos e modelos numéricos. Utilizou-se o processo de manufatura aditiva por fusão seletiva a laser para produzir protótipos de trocador de calor compactos em aço 316L. Investigou-se três diferentes geometrias: canal espesso, protótipo de trocador de calor fabricado via MA com 46 canais retos circulares e núcleo de trocador compacto produzido por MA composto por 348 canais complexos e 143 canais retos. Utilizaram-se seis bancadas experimentais para avaliar tensões térmicas, mecânicas e combinadas, no regime permanente e transiente, além do desempenho térmico e hidrodinâmico do núcleo. Realizaram-se no total 556 experimentos. Nas bancadas para o tubo e o protótipo induziu-se a pressurização e choque térmico simultaneamente enquanto as bancadas termo hidráulicas permitem avaliar o núcleo com arranjo de escoamento água ? água e água ? ar. Os valores numéricos de pico de tensão no tubo verificaram-se erros médios em relação aos experimentos de 4,7% e 6,9% para a tensão térmica, 8,1% e 8,2% para a mecânica e 9% e 8,6% para a termomecânica. No protótipo do trocador de calor, observou-se uma tensão termomecânica máxima de 36,9 MPa na superfície (experimental) e 184 MPa nos canais (numérico), com uma diferença numérica média de 2,7%. Empregou-se o modelo numérico validado para avaliação das condições de operação comuns a trocadores compactos (P = 200 bar e ?T = 100°C), resultando em picos de tensão termomecânica que superam a tensão de escoamento e o limite de resistência do AISI 316L. Essa investigação demonstra que considerar os esforços termomecânicos no projeto de um CHE é crucial. Demonstrou-se no estudo térmico do núcleo que os canais complexos apresentam desempenho superior aos canais retos e aos canais zigue zague. Propuseram-se correlações para Nu do canal complexo com água em diferentes temperaturas e ar. Para as simulações térmicas o modelo diverge em média 6,6% dos experimentos e para a perda de carga, 66% no canal reto e 12% no complexo. A direção de impressão do canal tem elevada influência na perda de carga. Em razão disso, realizou-se uma segunda análise para investigar a elevada perda de carga experimental e consequente discrepância do modelo. Verificou-se na investigação que canais impressos horizontalmente à plataforma de impressão apresentam variação geométrica considerável na seção transversal, tendo sua circularidade afetada e não sendo constante ao longo de seu comprimento, resultando em um aumento na perda de carga.

Abstract: Compact heat exchangers (CHEs) operate at high temperatures and pressures, requiring an adequate geometric design to withstand these conditions. These devices must have good thermal-hydraulic performance, while supporting high thermomechanical loads. Most studies investigate thermal-hydraulic and structural behavior separately. This work proposed a different approach evaluating the thermomechanical strength and thermohydraulic performance of CHEs manufactured by additive manufacturing (AM). This is one of the first studies to evaluate the transient thermomechanical stresses in heat exchangers, in addition to studying the thermal and hydrodynamic behavior of a new channel with a complex path. Both studies employed experiments and numerical models. The selective laser melting additive manufacturing process was used to produce compact heat exchanger prototypes in 316L steel. Three different geometries were investigated: thick channel, heat exchanger prototype manufactured via AM with 46 circular straight channels and a compact exchanger core produced by AM composed of 348 complex channels and 143 straight channels. Six experimental benches were used to evaluate thermal, mechanical and combined stresses, in steady and transient regime, in addition to the thermal and hydrodynamic performance of the core. A total of 556 experiments were performed. Pressurization and thermal shock were performed simultaneously on the tube and prototype benches, while the thermo-hydraulic benches were configured to evaluate the core with water ? water and water ? air flow arrangements. The numerical values of peak stress in the tube showed average errors in relation to the experiments of 4.7% and 6.9% for thermal stress, 8.1% and 8.2% for mechanical stress, and 9% and 8.6% for thermomechanical stress. In the heat exchanger prototype, the maximum thermomechanical stress was 36.9 MPa at the surface (experimental) and 184 MPa in the channels (numerical), with an average numerical difference of 2.7%. The validated numerical model was used to evaluate operating conditions common to compact exchangers (P=200 bar and ?T = 100°C), resulting in thermomechanical stress peaks that exceed the yield stress and the resistance limit of AISI 316L. This investigation shows the importance of considering thermomechanical stresses in the design of a CHE. The thermal study of the core demonstrated that complex channels outperform straight and zigzag channels. Correlations were proposed for Nu of the complex channel with water at different temperatures and air. For thermal simulations, the model diverged on average 6.6% from the experiments, and for pressure drop, 66% in the straight channel and 12% in the complex channel. The printing direction of the channel has a high influence on the pressure drop. Therefore, an analysis was performed to investigate the high experimental pressure drop and consequent discrepancy in the model. The investigation showed that channels printed horizontally to the printing platform present considerable geometric variation in the cross section, having their circularity affected and not being constant along their length, resulting in an increase in pressure drop.