Fabricação e análise estrutural, morfológica e termo hidráulica de um trocador de calor tipo circuito impresso

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.Os trocadores de calor tipo circuito impresso (em inglês, Printed Circuit Heat Exchanger ? PCHE), são uma variação de trocadores de calor compactos e sua fabricação se constitui de dois principais processos: o ataque fotoquímico para a usinagem dos canais e a união por difusão para a solda do núcleo. Esta pesquisa foi dividida em três principais etapas. A primeira consistiu em buscar fornecedores nacionais capacitados para realizar a usinagem de canais via ataque fotoquímico, bem como fabricar três placas com canais de diferentes dimensões (semicircular com raio de 1,2 mm, semicircular com raio de 2,4 mm e canais passantes) em chapas com 3 mm de espessura em aço inoxidável AISI 316L e analisar o resultado obtidos a fim de se identificar as limitações do fabricante e verificar a viabilidade de se fabricar um trocador de calor tipo circuito impresso nacionalmente. A segunda etapa consistiu em fabricar um PCHE de canais semicirculares com raio de 2,4 mm, retos e em escoamento cruzado, com núcleo de dimensões externas 173x173x113 mm. A terceira etapa consistiu em realizar os testes experimentais para a análise termo hidráulica do dispositivo utilizando água no ramal frio e ar no ramal quente, bem como analisar seu desempenho termo hidráulico e comparar com um modelo matemático da literatura. Os testes foram realizados no limite da bancada disponível, com Reynolds de 835 a 2793 no ramal quente e de 511 a 2081 no ramal frio. Como principais resultados obtidos, tem-se que após uma pesquisa de mercado foi encontrado até o presente momento apenas um fornecedor nacional com condições de fabricar as peças na espessura de chapa, material e profundidade dos canais desejada. Ainda assim, o PCHE testado foi fabricado nos limites do processo. As peças fabricadas apresentaram alguns micro-alvéolos observados através do microscópio óptico e do microscópio eletrônico de varredura, e alguns defeitos visíveis a olho nu na região que seria a interface de união das peças. Os resultados obtidos nos ensaios de tração foram levemente inferiores aos ensaios realizados pelo grupo na união de placas de 3 mm sem canais, porém, muito similares. O mesmo foi observado qualitativamente ao avaliar a interface de união por metalografia. A área final dos canais foi em média 9% inferior ao esperado no ramal quente e 5% no ramal frio. O trocador de calor testado não apresentou vazamentos aparentes. Nos testes experimentais, o ar foi o fluido limitante nas trocas térmicas, devido à baixa capacidade térmica. O máximo calor trocado foi de 4kW, e o maior valor de Nusselt no ramal quente, calculado a partir do fator j de Colburn, foi de aproximadamente 10. A queda de pressão atingiu 674Pa no ramal quente e a 926Pa no ramal frio. Para o cálculo do fator de atrito experimental, foi proposto um coeficiente de distribuição de velocidade para canais semicirculares, a partir de dados da literatura.Abstract: Printed Circuit Heat Exchangers (PCHE) are compact heat exchangers and their fabrication consists of two principal process: photochemical machining, to make the channels, and diffusion bonding, to join the stacked plates. This research work aims to assess the fabrication and thermal performance of PCHEs, taking into account the availability of national machining suppliers and the manufacturing technology. The first step of this research consists in finding Brazilian companies able to manufacture appropriate channels for actual engineering equipment. Stainless steel 316L flat plates of 3 mm thickness produced, with different geometry channels (semicircular channels, one with 1.2 mm depth, other with 2.4 mm depth and the last with thorough channels). The second step aims to fabricate an actual cross current PCHE, with straight semicircular channels of 2.4 mm depth. In the last step, experimental tests were carried out to analyze the thermo-hydraulic performance of the heat exchange and to compare the results with mathematical models from the literature. Flow regime was limited by the experimental setup, with a Reynolds number at laminar and transition regime (from 835 to 2793) in the hot side and at laminar regime and beginning of transition regime (from 511 to 2081) in the cold side. As main results, it was found in this period of time only one national company has the necessary know how to fabricate the parts on the desired specifications and, in this case, the PCHE was fabricated close to the limits of the company's production. Fabricated plates presented larger diameter pits that were observed with optical and scanning electron microscopes; besides, some defects were detected also on the interface surface by a visual inspection. For both tensile tests and metallography, the results shown that the channel cross section areas were somewhat smaller than expected: about 9% and 5% lower for the hot and cold side respectively. The heat exchanger tested was free of apparent leakage. In the experimental tests the air flow limited the heat exchange capacity of the device, with a maximum heat of 4kW. Pressure drop reached 674Pa in the hot side and 927Pa in the cold side. Finally, to calculate the Fanning friction factor, a velocity distribution coefficient developed for a semicircular channel, was proposed based on literature data