Thermal hydraulic optimization of Diffusion Bonded Heat Exchangers

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021.Trocadores de calor compactos são dispositivos que possuem uma alta relação entre a área de troca de calor e o volume. Estes aparelhos são utilizados na indústria do petróleo, na qual existe uma grande limitação de espaço e peso dos equipamentos utilizados a bordo. O presente trabalho se dedica ao desenvolvimento de uma ferramenta de projeto para trocadores de calor considerando grandes variações nas propriedades do fluido e diferentes parâmetros que constituem o custo operacional de um trocador de calor. Correlações para transferência de calor e fluxo mássico em canais foram levantadas e um modelo de avaliação local de trocadores foi desenvolvido. O modelo local foi comparado com um modelo global utilizando fluidos que apresentam uma ampla variação de propriedades durante a operação do trocador de calor. A técnica de otimização Passing Search Vehicle foi introduzida e comparada com as técnicas apresentadas anteriormente na literatura. O Passing Search Vehicle superou o Algoritmo Genético, sendo este último usado principalmente por Diffusion Bonded Heat Exchangers (DBHE). Em seguida, diversos parâmetros de otimização foram estudados a fim de agilizar o processo de projeto. Por fim, várias variáveis e seus efeitos no projeto do trocador de calor foram estudados. Verificou-se que variáveis consideradas secundárias, como as dimensões da placa de prensagem (geometria do forno), máxima queda de pressão permitida, custo da eletricidade e custos de fabricação são necessárias para obter o trocador de calor ideal para uma específica aplicação.Abstract: Compact heat exchangers are devices that have a high ratio between the heat exchange area and the volume. These devices are used in the oil industry, in which there is a great limitation of space and weight of the equipment used on board. The present work is dedicated to developing a design tool for heat exchangers considering large variations in the properties of the fluid and different parameters that constitute the operational cost of a heat exchanger. Correlations for both heat transfer and fluid flow on channels were raised and a model of local evaluation of exchangers was developed. The local model was compared with a global model using fluids that have a wide range of properties during the operation of the heat exchanger. The Passing Search Vehicle optimization technique was introduced and compared with the techniques previously presented in literature. The Passing Search Vehicle outperformed the Genetic Algorithm, with the latter being mostly used by Diffusion Bonded Heat Exchangers (DBHE). Then, several optimization parameters were studied in order to streamline the design process. Finally, several variables and their effects to the design of the heat exchanger were studied. It was found that variables considered as secondary, such as the pressing plate dimensions (furnace geometry), maximum allowed pressure drop, electricity cost and manufacture costs are required in order to obtain the optimal heat exchanger for a specific application