Thermal and hydraulic modeling of diffusion-bonded compact heat exchangers

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sarmiento Cajamarca, Andrés Paul
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/219309
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.
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spelling Thermal and hydraulic modeling of diffusion-bonded compact heat exchangersEngenharia mecânicaPermutadores térmicosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.A crescente demanda do consumo de energia tem levado à busca de sistemas e dispositivos térmicos mais eficientes. Esse esforço levou ao desenvolvimento de técnicas de intensificação da transferência de calor destinadas a atender tanto à conservação de energia quanto ao aprimoramento da eficiência global. Um dos dispositivos críticos para melhorias são os trocadores de calor, que precisam aliar um excelente comportamento termo-hidráulico e alta confiabilidade estrutural em um volume reduzido. Nesse sentido, trocadores de calor unidos por difusão (DBHE) aparecem como fortes candidatos para atender a esses requisitos, uma vez que combinam altas taxas de transferência de calor e robustez, o que permite que trabalhem com escoamentos sujeitos à altas pressões e temperaturas. Para o projeto e avaliação de DBHE vários modelos têm sido propostos para estimar a transferência de calor e variação de pressão no dispositivo. No entanto, modelos específicos e dependentes do tipo de canal têm sido propostos. Desta forma, a presente tese de doutorado tem como foco o desenvolvimento de modelos gerais para avaliação e dimensionamento de DBHE de alta eficiência. Para atender o objetivo, foram desenvolvidos modelos fundamentais para a predição da transferência de calor e do escoamento de fluidos, assim como modelos globais para o projeto de trocadores de calor. Modelos teóricos que relacionam o número de Nusselt e de Fanning para canais circulares e não circulares são apresentados. É mostrado que, modelos assintóticos para escoamentos laminar e turbulento, juntamente com o uso de comprimentos característicos apropriados, resulta em um modelo que apresenta boas previsões para um grande número de dados experimentais da literatura, considerando-se prescritos ou o fluxo de calor uniforme ou a temperatura. O erro quadrático médio obtido com este modelo é por volta de 10,0%, menor do que outras correlações da literatura. Foi desenvolvida uma análise numérica do escoamento de fluido, visando o estudo do comprimento de desenvolvimento hidrodinâmico em minicanais quadrados e retangulares. A partir da comparação com estes resultados da simulação numérica, foi selecionada uma correlação da literatura que se mostrou mais adequada. Além disso, o modelo de atrito de Fanning da literatura foi reescrito em termos da raiz quadrada da área da seção transversal do canal, o que permite a estimativa dos fatores de atrito de Fanning para canais circulares e não circulares, para regimes de escoamento laminar, transição, turbulento e turbulento desenvolvido. Por outro lado, foram desenvolvidos modelos genéricos e robustos para o projeto de térmico e hidráulico de DBHE, para canais retos retangulares e semicirculares. Este modelo combina: método epsilon - NUT, modelos de Nusselt e de fator de atrito de Fanning, efeitos de condução axial e modelos de perdas de calor. Comparações entre o modelo teórico proposto e dados experimentais da literatura mostraram excelente concordância.Abstract: The increasing demand for energy consumption has pushed the pursuit of more efficient thermal systems and devices. This effort has led to the development of heat transfer intensification techniques, aimed to meet both energy conservation and improved global efficiencies. Heat exchangers are one of the critical devices that need improvement, as they should combine excellent thermal-hydraulic behavior with high structural reliability in a reduced volume. In this sense, diffusion-bonded heat exchangers (DBHE) appear as strong candidates to meet these requirements, since they combine high thermal effectiveness and robustness, for fluid streams under high pressure and temperature environments. This doctoral thesis is focused on the development of general models for the thermal rating and designing of DBHE. To fulfill the objective, fundamental heat transfer and fluid flow models were developed and global heat exchangers models were formulated. For designing and evaluating DBHE has been proposed to estimate the heat transfer and pressure drop on the heat exchanger. However specific models and channel-dependent models are found in the literature. Therefore, theoretical models for calculating the Nusselt and Fanning friction numbers for most common circular and non-circular channels were developed. It was shown that asymptotic results for both laminar and turbulent flows along with an appropriate characteristic length resulted in Nusselt number models that provide good predictions for a large range of literature experimental data for both uniform heat flux and uniform wall temperature boundary conditions. This model has shown an overall root mean square error (RMSE) of 10.0%, smaller than other literature correlations. A numerical analysis was developed to understand the hydrodynamic development length of square and rectangular minichannels, which results were used to pick the most appropriate literature correlation. Also, the literature correlation for the Fanning friction factor was rewritten in terms of the square root of the cross-section area, which proved to be convenient to estimate the Fanning friction values in most common channels, from laminar to fully turbulent flows. Besides, robust models for rating DBHE considering its thermal and hydraulic characteristics, for both rectangular and semicircular straight channels were developed. This model combines the well-known epsilon ? NUT method, the Nusselt and Fanning friction models, axial conduction effects, and heat loss models, aiming the estimation of both the overall thermal conductance and pressure drop of the heat exchanger. Comparisons between the proposed theoretical model and literature experimental data have shown excellent agreement.Mantelli, Márcia Barbosa HenriquesMilanese, Fernando HenriqueUniversidade Federal de Santa CatarinaSarmiento Cajamarca, Andrés Paul2021-01-14T18:07:33Z2021-01-14T18:07:33Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis185 p.| il., gráfs.application/pdf370994https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/219309engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-01-14T18:07:33Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/219309Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-01-14T18:07:33Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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