Trocadores de calor compactos soldados por difusão: fabricação e modelagem

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mortean, Marcus Vinícius Volponi
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/176792
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.
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spelling Trocadores de calor compactos soldados por difusão: fabricação e modelagemEngenharia mecânicaPermutadores térmicosSoldagemTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Trocadores de calor compactos são equipamentos caracterizados pela alta área de transferência de calor em um volume reduzido. Esses dispositivos foram desenvolvidos para aplicações em que requisitos como massa e espaço são restritivos, como nos segmentos aeroespacial, marinho e automobilístico. Mortean (2014) estudou e desenvolveu novas tecnologias de fabricação de núcleos de trocadores de calor compactos em cobre, empregando o processo de soldagem por difusão para a união do conjunto. Tendo em vista a viabilidade técnica da tecnologia, o presente trabalho focou em desenvolver ferramentas para o projeto térmico, hidráulico e de fabricação de trocadores de calor compactos produzidos em aço inoxidável AISI 316L, a partir da técnica de soldagem por difusão. Este estudo foi dividido em duas grandes áreas: a primeira focada na soldagem por difusão, diretamente relacionada com o processo de fabricação, e a segunda nos modelos teóricos para prever o comportamento do trocador de calor compacto. Numa primeira etapa, foi aprimorada a técnica de soldagem por difusão, estudando a união de diferentes aços inoxidáveis, para em seguida determinar os melhores parâmetros (temperatura, pressão e tempo) na soldagem do aço inoxidável AISI 316L, material selecionado para a fabricação dos protótipos. Visando aplicações em trocadores de calor compactos, foi realizado um estudo da influência de diferentes geometrias na união do núcleo, além de uma análise do efeito da técnica de soldagem por difusão com pressão oscilante na interface de ligação. As amostras produzidas no estudo experimental foram comparadas por meio de ensaios mecânicos de tração, análises metalográficas e testes de vazamento. Em paralelo, foi realizada uma análise teórica e experimental do comportamento térmico e hidrodinâmico do trocador de calor. Modelos analíticos e numéricos foram desenvolvidos para escoamentos em regime laminar e em transição. Correlações para o número de Nusselt para canais de seção transversal quadrada, para escoamento laminar termicamente em desenvolvimento e escoamento em transição, foram propostas. Dados experimentais, envolvendo a transferência de calor e a perda de carga, forneceram informações para a comparação com os modelos propostos, em que foi constatada uma boa convergência. Ao final do trabalho, obteve-se uma metodologia de cálculo para o projeto de trocadores de calor com placa usinada e um procedimento adequado de fabricação. De modo que, futuramente, o país possa produzir estes equipamentos, baseado em sua própria tecnologia, desenvolvendo a indústria nacional e diminuindo a dependência de equipamentos importados.<br>Abstract : Compact heat exchangers are heat transfer devices characterized by high heat transfer area in small volume. They were developed for applications where weight and volume are significantly relevant constraints, such as aerospace, marine and automotive segments. Mortean (2014) studied new manufacturing technologies of compact heat exchanger cores in copper, using the diffusion bonding process as a join technique. Based on the previous study, the current work focused on the thermal, hydraulic and manufacturing designs of compact heat exchangers, produced in stainless steel AISI 316L, joined by diffusion bonding technique. The study was divided into two main areas: the first, focused on diffusion bonding, directly related to the manufacturing process, and the second one, focused on the theoretical models to predict the thermal and hydrodynamic behavior of the heat exchanger. First, the diffusion bonding technique to join different stainless steels alloys was studied, and then, the best welding parameters (temperature, pressure and time) were determined to join stainless steel AISI 316L plates, selected material to produce the prototypes. Aiming to study compact heat exchangers applications, the influence of different core geometries and impulse cyclic pressuring diffusion bonding technique were studied. The samples were evaluated by mechanical tensile tests, metallographic analyzes and leak tests. In parallel, a theoretical and experimental analysis of the heat exchanger thermal and hydrodynamic behavior were carried out. Analytical and numerical models for laminar and transition flow were developed. Nusselt number correlations, for rectangular channels, in laminar thermally developing flow and transitional flow were proposed. Experimental tests, for heat transfer and pressure drop, were performed and their results were compared with the theoretical model, showing a good comparison. Thus, a mathematical methodology and an adequate manufacturing procedure to design and produce cut plate heat exchanger were obtained. As a result, in the future, the country can produce these type of equipment, based on its own technology, developing the national industry and reducing its dependence on abroad.Mantelli, Márcia Barbosa HenriquesPaiva, Kleber Vieira deUniversidade Federal de Santa CatarinaMortean, Marcus Vinícius Volponi2017-06-27T04:22:04Z2017-06-27T04:22:04Z2017info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis229 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf347849https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/176792porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2017-06-27T04:22:04Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/176792Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732017-06-27T04:22:04Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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