Trocadores de calor cerâmicos para aplicações envolvendo altas temperaturas:um estudo numérico através de simulação com dinâmica dos fluidos computacional

Abstract

Sistemas como os de geracao de energia eletrica ou aqueles em que se deseja o aumento da eficiencia energetica necessitam de trocadores de calor capazes de operar a altas temperaturas, tipicamente superiores a 800º C. Para suportar as condicoes de operacao desses sistemas esses trocadores de calor devem ser construidos com materiais ceramicos. Entretanto a literatura traz poucas informacoes sobre as tecnicas de projeto destes componentes. O presente trabalho utiliza a tecnica conhecida por CFD (Dinamica dos Fluidos Computacional) para um estudo inicial de uma geometria de um trocador de calor ceramico (TCC) do tipo placas para aplicacoes envolvendo altas temperaturas. A metodologia de calculo para trocadores de calor compactos pode ser aplicada. O trocador de calor ceramico proposto ira operar com gases escoando em contra-corrente. Buscando suprir a carencia de informacoes sobre o projeto termico do TCC o presente trabalho levantara valores para os fatores j de Colburn e atrito f em funcao do numero de Reynolds a partir dos quais foram desenvolvidas correlacoes adequadas para a geometria proposta. E feita uma validacao da ferramenta de simulação usando configuracoes geometricas similares para trocadores de calor compactos. A partir das correlacoes desenvolvidas e possivel se obter a efetividade, as temperaturas de saida dos fluidos e a queda de pressão provocada por este tipo de trocador de calor ceramico.

There are potential applications for heat exchangers capable to support working temperatures above 800°C, particularly in thermal power plants. In order to support these rigorous working conditions, these heat exchangers must be constructed with ceramics. However, information about the design of this kind of heat exchanger is not available in technical literature. The present work uses CFD (Computational Fluid Dynamics) to conduct one initial study of one ceramic heat exchanger using the plate-fin geometry. The calculation procedures commonly used for compact heat exchangers can be used in this case. The proposed heat exchanger operates in a counter-flow arrangement. Correlations for the Colburn and friction factors are presented as a function of the Reynolds number, obtained from the simulation results. The validation is conducted using similar geometric configurations for compact heat exchangers. The correlations presented in the present work may be used to predict the effectiveness, outlet temperatures and pressure drop in a ceramic heat exchanger