Simulação térmica e estrutural de um trocador de calor cerâmico para operação em altas temperaturas

Abstract

Diversas aplicações que utilizam trocadores de calor alcançariam maiores rendimentos com o uso de temperaturas mais altas em seus processos. No entanto, a temperatura máxima possível de operação do trocador de calor costuma ser o fator limitante, seja por questões estruturais ou de corrosão. A utilização de materiais cerâmicos para fabricação de trocadores de calor é reportada na literatura como uma possibilidade para se conseguir aumentar a temperatura poucos estudos específicos estão disponíveis. Visando ampliar os resultados experimentais da literatura, o presente trabalho teve por objetivo discutir aspectos relativos à fabricação, aos ensaios em bancada e ao tratamento dos dados experimentais de um trocador de calor cerâmico, fabricado e testado para operar em contracorrente. O desempenho do trocador de calor cerâmico foi avaliado em regime permanente dentro da faixa de número de Reynolds entre 200 e 2.900. Nessa faixa, o trocador apresentou efetividades entre 0,620 e 0,901 e perda de carga entre 0,13 e 4,67 mbar. Por fim, foram realizados ensaios destrutivos, nos quais a temperatura de operação foi elevada em etapas até a falha do trocador, que ocorreu a 800ºC. Como objetivos secundários, foi escopo deste trabalho a modelagem numérica da região afetada do trocador através da Mecânica dos Fluidos Computacional (CFD), com a qual foram obtidas correlações para os fatores f de atrito e j de Colburn em função do número de Reynolds e parâmetros geométricos. Um modelo tridimensional do trocador completo também foi desenvolvido com o objetivo de obter a distribuição de temperatura nas paredes cerâmicas do trocador e utilizá-las como condição de contorno em um modelo de elementos finitos, no qual, o critério de Coulomb-Mohr modificado foi aplicado para fins de previsão de falha em função das temperaturas dos ensaios destrutivos.

Several applications that use heat exchangers could reach higher efficiencies using higher temperatures on their process. However, the maximum temperature that the heat exchanger supports usually is the limiting factor, either by the structural issues or corrosion. The use of ceramic materials to build a heat exchanger is reported on the literature as a possibility to increase the maximum operational temperature, yet, few specific studies are available. Aiming to expand the rare experimental results in the literature, the present work discusses the fabrication, the experimental procedures and the data processing of one ceramic heat exchanger build and tested in counter-flow configuration. The performance of the ceramic heat exchanger was evaluated on a steady-state regime for Reynolds numbers between 200 and 2.900. In this range, the heat exchanger presented effectiveness between 0,620 and 0,90 and pressure drop between 0,13 and 4,67 mbar. Lastly, a structural integrity evaluation has been done increasing the operation temperature in steps until the heat exchanger collapsed, which occurred on 800ºC. As secondary objectives, this work modeled numerically the region of the fins of the heat exchanger using Computational Fluid Dynamics (CFD), which generated the correlations for the friction factor f and Colburn factor j as a function of the Reynolds number and geometrical parameters. The modified Coulomb-Mohr criteria was applied on a finite element model of the heat exchanger to model a failure prediction as a function of the wall temperatures obtained using CFD simulations with Conjugate Heat Transfer (CHT).