Bocais meia cana: distribuição da vazão e efeitos termo-hidráulicos em trocadores de calor compactos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021.Os trocadores de calor unidos por difusão (DBHEs ? Diffusion Bonded Heat Exchangers) são cada vez mais solicitados na indústria. Isto se deve a sua compacidade, a qual possibilita maior troca térmica, utilizando menos volume e peso, quando comparados com permutadores de calor convencionais. Usualmente, trocadores de calor compactos são projetados considerando que a vazão mássica do fluido é uniformemente distribuída entre todos os canais do dispositivo, o que não acontece na prática. Divergências existem na literatura sobre o efeito da má distribuição de vazão mássica no desempenho termo-hidráulico do trocador. No presente trabalho, foi realizado um estudo experimental e numérico sobre a má distribuição da vazão mássica em trocadores de calor compactos que utilizam bocais do tipo meia cana como sistema de distribuição, visando compreender melhor seus efeitos no desempenho termo-hidráulico do equipamento. Foi realizado um estudo experimental, no qual a distribuição de vazão mássica em um trocador de calor compacto foi simulada através de uma bancada experimental que consistia de uma seção de testes com 112 canais circulares de aço inoxidável 316L soldados a um bocal do tipo meia cana. O fluido utilizado foi água, a qual facilita a medição da vazão mássica em cada um dos canais da seção de testes através da utilização do método gravimétrico. Três vazões mássicas foram testadas na entrada do bocal de maneira a manter o número de Reynolds no duto de entrada entre 2 × 104 e 9 × 104. O parâmetro utilizado para analisar a má distribuição nos experimentos foi o desvio padrão da não-uniformidade de vazão mássica (s), o qual pode variar de 0 a 1. Os resultados experimentais mostram que o aumento do número de Reynolds na entrada gera um aumento logarítmico no parâmetro s, indicando aumento de má distribuição. Simulações numéricas foram realizadas nas mesmas condições experimentais com o objetivo de validar uma ferramenta computacional que permita extrapolar valores para diferentes faixas de Reynolds na entrada. O erro médio entre os dados numéricos e experimentais foi de 12%, validando a ferramenta computacional para determinação da distribuição de vazão mássica no núcleo de um trocador de calor. Além disto, propôs-se um fator de correção para o modelo analítico de s apresentado na literatura com o objetivo de ampliar sua faixa de aplicação atual, ou seja, Reynolds de 105 a 3 × 105, que ainda leva em consideração os efeitos do número de Reynolds na entrada. Os parâmetros s, observados tanto experimental como numericamente no presente trabalho, mostram uma boa concordância entre si e com dados numéricos de outro trabalho na literatura, com erros menores que 15% para faixa de Reynolds de 104 a 1,5 × 106. Por fim, um retificador foi desenvolvido para garantir que o fluido fosse homogeneamente distribuído nos canais do trocador. Este retificador foi testado experimentalmente mostrando uma redução significativa no parâmetro o.Abstract: Industrial demands of diffusion-bonded heat exchangers (DBHEs) keep growing in the last decade, because of its compactness, which allows greater heat exchange, in less volume and weight, when compared to conventional heat exchangers. Usually, compact heat exchangers are designed considering that the mass flow of the fluid is evenly distributed among all channels of the device, which is not the case in reality. There are disagreements in the literature about the effect of poor mass flow distribution on the thermo-hydraulic performance of the heat exchanger. In the present work, an experimental and numerical study was carried out regarding the maldistribution of the mass flow in compact heat exchangers that use half-cylinder nozzles as a distribution system, in order to better understand its effects on the thermo-hydraulic performance of the equipment. An experimental study was performed, in which the mass flow distribution in a compact heat exchanger was simulated through an experimental bench that consisted of a test section with 112 circular 316L stainless steel channels welded to a half-cylinder nozzle. The fluid used was water, which facilitates the measurement of mass flow in each of the channels of the test section through the use of the gravimetric method. Three mass flows were tested at the nozzle inlet in order to maintain the Reynolds number in the inlet duct between 2 × 104 e 9 × 104. The parameter used to analyze the maldistribution in the experiments was the standard deviation of the mass flow non-uniformity (s), which can vary from 0 to 1. The experimental results show that the increase in the Reynolds number generates a logarithmic increase in the s parameter, indicating an increase in maldistribution. Numerical simulations were executed at the same experimental conditions in order to validate a computational tool that allows extrapolating values for different input Reynolds number ranges. The average error between numerical and experimental data was within 12%, validating the computational tool for determining the mass flow distribution in the core of an actual heat exchanger. Additionally, a correction factor was proposed for the analytical model for s presented in the literature with the aim of expanding its current application range, i.e., Reynolds number at the entrance from 105 to 3 × 105. This factor takes into account the effects of the Reynolds number at the entrance on the parameter s observed both experimentally and numerically. A good agreement was observed between present work experimental and numerical data and among literature results, with errors smaller than 15% for the Reynolds number at the entrance ranging from 104 to 1.5 × 106. Finally, a rectifier was developed to ensure that the fluid was evenly distributed in the exchanger channels. This rectifier was experimentally tested showing a significant reduction in the o parameter