Modelação e avaliação do desempenho de permutadores de calor

Abstract

O estudo de permutadores de calor baseado em modelos é um tipo de abordagem que, nas últimas décadas, tem merecido particular atenção, tanto pelos investigadores como em desenvolvimento de aplicações práticas, já que estes equipamentos são equipamentos imprescindíveis no funcionamento da generalidade das indústrias, sistemas de energia (centrais termoeléctricas, refinarias, etc.), sistemas de climatização e sistemas de propulsão terrestre, aeronáutica e marítima. Em instalações de máquinas marítimas, os permutadores de calor são determinantes para o bom funcionamento do navio, pois são utilizados tanto na instalação propulsora como em vários sistemas auxiliares. Nos últimos anos, por motivos de eficiência e de espaço ocupado, tem-se assistido à substituição de permutadores de calor do tipo corpo cilíndrico e feixe tubular por permutadores de calor de placas. O presente trabalho centrou-se no estudo de permutadores de calor de placas, tendo como objectivo fundamental contribuir para o desenvolvimento do estado da arte neste domínio do conhecimento, através do ensaio e modelação de permutadores de calor de placas com corrugações do tipo "chevron". Desenvolveu-se em quatro fases. A primeira fase consistiu na obtenção de valores experimentais relativos a um permutador de calor de placas e a um permutador de corpo cilíndrico e feixe tubular, integrados numa bancada de ensaio de permutadores de calor, existente nos laboratórios da ENIDH (Escola Superior Náutica Infante D. Henrique). Para idênticas condições de funcionamento compararam-se valores experimentais, tendo-se assim verificado as razões que motivaram a substituição anteriormente referida. Ainda nesta fase efectuou­ se a análise da incerteza experimental, bem como a avaliação das grandezas que mais contribuem para essa incerteza. A segunda fase consistiu na modelação analítica do permutador de calor de placas, através da utilização de correlações existentes na bibliografia. Uma vez que os resultados obtidos não foram satisfatórios, estabeleceram-se novas correlações através das quais se desenvolveu um modelo cujos resultados mostraram uma boa concordância com os resultados experimentais. Para condições próximas da potência máxima, foi determinada a sensibilidade do modelo desenvolvido relativamente a variações possíveis de se verificar em instalações de máquinas marítimas. A terceira fase consistiu na simulação numérica tridimensional do permutador de calor de placas, utilizando um código comercial CFD, através da qual se analisou a influência das corrugações, das condições de fronteira e dos topos das placas no comportamento do permutador de calor de placas. Apesar de serem de aplicação trabalhosa e de processamento lento, as simulações numéricas conduziram a resultados satisfatórios, do ponto de vista de engenharia, e abrem caminho para a modelação de outras geometrias de permutadores de calor. A quarta fase consistiu na análise do comportamento do permutador de calor de placas quando os fluidos envolvidos fossem, para além da água doce, a água do mar e o óleo lubrificante (típicos de instalações de máquinas marítimas. Esta análise foi efectuada através do modelo analítico, baseado nas novas correlações desenvolvidas. - ABSTRACT: The study of heat exchangers based on models is an approach that has received major attention in the last decades, both in research and in the development of applications for industrial equipments. The use of heat exchangers is universal in power stations, refineries, air-conditioning systems and propulsion systems (land, aeronautical and maritime). ln marine power plants, heat exchangers are essential for the correct operation of the ship, considering they are used in main propulsion machinery and in auxiliary systems. During the last years, for reasons of efficiency and occupied space, conventional shell and tube heat exchangers have been replaced by more efficient and compact plate heat exchangers. This work is focused on the study of plate heat exchangers, being the key objective to contribute to the development of the state of the art in this field through testing and modeling of plate heat exchanger with corrugate plate type "chevron". The present work has been developed in four phases: The first phase consisted in obtaining experimental data of plate and shell and tube heat exchangers from a heat exchanger training bench existing at ENIDH (Escola Superior Náutica Infante D. Henrique). For identical operating conditions, experimental data has been analyzed and compared and reason that motivated the replacement of the heat exchangers has been confirmed. Also, in this working phase, experimental uncertainty and evaluation of the quantities that most contribute for this uncertainty have been analyzed. The second phase consisted in the analytical modeling of the same plate heat exchangers, through the use of correlations available in the literature. Since the results obtained were not satisfactory, new correlations were developed, which resulted in a new model that showed a good agreement with experimental data. For conditions dose to the maximum power, the sensitivity of the developed model was evaluated considering possible changes in the operating conditions of real marine propulsion plants. The third phase consisted three-dimensional numerical simulation of same plate heat exchangers, using a commercial computer fluid dynamics (CFD) application. The influence of plate configuration, boundary conditions and plate tops on the behavior of plate heat exchangers has been analyzed. Despite being laborious and a computationally heavy numerical simulations led to satisfactory result, from an engineering point of view, and open new possibilities for the simulation of heat exchangers with other geometrical configurations. The fourth phase consisted in the analysis of the heat exchanger performance when different fluids like fresh water, sea water and lubricating oil, typical of marine power plants. This analysis was carried out using the model based on new correlations developed in the phase two, mentioned above.