Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Teixeira Junior, Max
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237232
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2022.
id UFSC_e6b42bef48518eb6742d501a9f930c99
oai_identifier_str oai:repositorio.ufsc.br:123456789/237232
network_acronym_str UFSC
network_name_str Repositório Institucional da UFSC
repository_id_str 2373
spelling Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditivaEngenharia mecânicaPermutadores térmicosManufatura aditivaMétodo dos elementos finitosDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2022.Trocadores de calor compactos fabricados por manufatura aditiva têm por objetivo o aumento da área de troca térmica e a redução de volume, obtidas por meio de geometrias complexas. Em virtude da elevada compactação, significativos gradientes de temperatura ocorrem nesses equipamentos, principalmente no início da operação ou em interrupções do processo produtivo. Esses gradientes de temperatura provocam níveis de tensão térmica elevados que podem resultar em falha estrutural ou em falha por fadiga no caso de carregamentos cíclicos. Por ser uma tecnologia de fabricação relativamente nova, são poucos os estudos na literatura que investigaram o efeito das tensões térmicas em trocadores de calor compactos produzidos por manufatura aditiva. Este trabalho tem por objetivo preencher esta lacuna ao determinar campos transientes de temperatura e de tensão térmica em condições típicas de operação. Para assegurar a correta avaliação de uma geometria complexa como a obtida em um trocador compacto, experimentos e simulações numéricas foram inicialmente realizados em um domínio já consagrado na literatura: tubos de parede fina e de parede grossa. Avaliações ocorreram de forma experimental, através de extensometria, por meio de um modelo numérico em diferenças finitas e através de simulação numérica em elementos finitos. O modelo teórico desenvolvido foi implementado em Matlab®, enquanto o modelo numérico foi implementado no software comercial Ansys®. Em seguida, um protótipo de trocador de calor compacto fabricado pela técnica de fusão seletiva a laser foi investigado em experimentos com extensômetros e por simulações em elementos finitos. A partir de condições de contorno convectivas onde a diferença de temperatura entre a fonte e o sumidouro é da ordem de 70 °C, foram obtidas, na superfície de tubos de parede grossa, tensões equivalentes de pico de magnitude similar àquelas obtidas por tensões mecânicas oriundas de diferença de pressão de 1050 bar. Nessas mesmas condições e na superfície externa da amostra de trocador de calor, foram obtidas tensões equivalentes de pico de magnitude similar àquelas obtidas por tensões mecânicas oriundas de diferença de pressão de 350 bar. Através da simulação numérica em elementos finitos e nas condições de contorno apresentadas, foi identificada a região do protótipo de trocador de calor propícia a falhas: a superfície interna por onde ocorre escoamento forçado interno. Níveis de tensão equivalente de pico da ordem de 270 MPa foram obtidos nessa região.Abstract: Heat exchangers manufactured by additive manufacturing aim at increasing the heat exchanger area and at volume reduction, obtained through complex geometries. High temperature gradients occur in this equipment, mainly at the start-up or during interruptions of the production process. These temperature gradients yield high levels of thermal stresses that can result in structural failure or fatigue failure in the case of cyclic loading. As it is a relatively new manufacturing technology, there are few studies in the literature that have investigated the effect of thermal stresses on compact heat exchangers produced by additive manufacturing. This work aims at filling this gap by determining transient temperature and thermal stress fields under typical operating conditions. To ensure the correct evaluation of a complex geometry such as that obtained in a compact exchanger, experiments and numerical simulations were initially carried out in a well-known domain: thin-walled and thick-walled tubes. Evaluations were carried out experimentally, through strain gauges, through a numerical model in finite differences and through numerical simulation in finite elements. The theoretical model developed was implemented in Matlab®, while the numerical model was implemented in the commercial software Ansys®. Then, a prototype of a compact heat exchanger manufactured by the technique of selective laser melting was investigated in experiments with strain gauges and by finite element simulations. From convective boundary conditions where the temperature difference between source and sink is about 70°C, equivalent peak stresses of similar magnitude to those obtained by mechanical stresses arising from differences in pressure of 1050 bar were obtained at the external surface of thick tubes. Under these same conditions and on the external surface of the heat exchanger sample, equivalent peak stresses of similar magnitude to those obtained by mechanical stresses arising from a pressure difference of 350 bar were obtained. Through numerical simulation in finite elements and in the presented boundary conditions, the region of the heat exchanger prototype prone to failures was identified: the inner surface where internal forced flow occurs. Peak equivalent stress levels equal to 270 MPa were obtained at this region.Oliveira, Jorge Luiz GoesMortean, Marcus Vinícius VolponiUniversidade Federal de Santa CatarinaTeixeira Junior, Max2022-07-27T23:18:33Z2022-07-27T23:18:33Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis179 p.| il., gráfs.application/pdf377580https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237232porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-07-27T23:18:33Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/237232Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-07-27T23:18:33Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
dc.title.none.fl_str_mv Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
title Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
spellingShingle Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
Teixeira Junior, Max
Engenharia mecânica
Permutadores térmicos
Manufatura aditiva
Método dos elementos finitos
title_short Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
title_full Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
title_fullStr Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
title_full_unstemmed Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
title_sort Avaliação de tensões térmicas em amostra de trocador de calor compacto fabricado por manufatura aditiva
author Teixeira Junior, Max
author_facet Teixeira Junior, Max
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Oliveira, Jorge Luiz Goes
Mortean, Marcus Vinícius Volponi
Universidade Federal de Santa Catarina
dc.contributor.author.fl_str_mv Teixeira Junior, Max
dc.subject.por.fl_str_mv Engenharia mecânica
Permutadores térmicos
Manufatura aditiva
Método dos elementos finitos
topic Engenharia mecânica
Permutadores térmicos
Manufatura aditiva
Método dos elementos finitos
description Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2022.
publishDate 2022
dc.date.none.fl_str_mv 2022-07-27T23:18:33Z
2022-07-27T23:18:33Z
2022
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv 377580
https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237232
identifier_str_mv 377580
url https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237232
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv 179 p.| il., gráfs.
application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSC
instname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
instacron:UFSC
instname_str Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
instacron_str UFSC
institution UFSC
reponame_str Repositório Institucional da UFSC
collection Repositório Institucional da UFSC
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1808652299411652608

Registros relacionados