Optimização do projecto e desempenho de permutadores de calor de placas para fluídos alimentares

Abstract

Neste trabalho estudou-se numericamente o desempenho térmico e hidráulico de canais de permutadores de calor de placas do tipo chevron com diferentes propriedades geométricas utilizando o software de mecânica de fluidos computacional POLYFLOW®. Foi analisado o escoamento laminar de fluidos newtonianos e não-newtonianos nos referidos canais, tendo o comportamento reológico dos últimos sido descrito pela lei de potência. Inicialmente estudou-se o arrefecimento de iogurte num permutador de calor de placas do tipo chevron de pequeno comprimento, onde os efeitos de entrada influenciam significativamente os números de Nusselt obtidos. O domínio computacional deste problema consistiu numa unidade tridimensional que representava metade de um canal do permutador de calor em causa. Apesar desta simplificação, encontrou-se uma boa concordância entre os resultados numéricos do número de Nusselt, Nu, e dados experimentais da literatura. Os trabalhos iniciais com o iogurte permitiram observar a existência de periodicidades adicionais do escoamento ao longo da largura do canal, o que permitiu desenvolver uma célula periódica. Usando esta célula periódica, estudaram-se então escoamentos laminares totalmente desenvolvidos de fluidos newtonianos e não-newtonianos genéricos em canais com propriedades geométricas bastante distintas. Para a obtenção de escoamentos completamente desenvolvidos térmica e hidraulicamente foi necessário utilizar canais constituídos por sete unidades periódicas consecutivas, também designadas por células unitárias. Os resultados numéricos obtidos com os fluidos newtonianos, canais com ângulo de corrugação, β, entre 29 e 85º e razão de aspecto de canal, γ, entre 0.38 e 0.76, permitiram relacionar o coeficiente K da relação entre o factor de Fanning, f, e o número de Reynolds, Re, f =KRe−1, com β e γ. Para cada ângulo de corrugação foram estudados canais com factores de incremento de área, φ, bastante distintos, tendo este factor variado aproximadamente entre 1 e 9. Em seguida, estudou-se o escoamento de fluidos não-newtonianos com índices de potência, n, entre 0.25 e 1 em canais constituídos por placas chevron com um factor de incremento de área, φ, de 1.17 e 31º≤β ≤ 60º , sendo estes valores típicos de placas chevron comerciais. Estes trabalhos permitiram desenvolver um número de Reynolds generalizado, Reg , e consequentemente uma curva de fricção única, Re 1 g f =K − , para fluidos não- newtonianos e newtonianos. O estudo do desempenho térmico dos permutadores de calor, para fluidos newtonianos e não-newtonianos, foi também efectuado com os canais com φ = 1.17 e 31º≤β ≤ 60º , tendo-se verificado que o Nu para a gama de número de Re e de n estudada (0.5 ≤ n ≤1), era muito pouco influenciado pelo índice de potência. Consequentemente, foram estabelecidas correlações térmicas únicas, válidas para fluidos não-newtonianos e newtonianos, para cada β estudado, tendo o número de Nu sido relacionado com o número de Péclet, Pe. Adicionalmente, concluiu-se que Nu atingia um máximo para valores de β entre 40 e 50º, para todos os fluidos estudados. Finalmente, o desempenho termo-hidráulico dos referidos canais foi estudado recorrendo à razão entre o factor de Colburn e factor de Fannning, tendo-se verificado que, para regime laminar e na gama de ângulos de corrugação estudados, o desempenho termo-hidráulico dos permutadores de calores de placas aumentava com o incremento de β.

Using the commercial finite element package POLYFLOW®, the hydraulic and thermal performance of chevron type plate heat exchanger channels with different geometrical characteristics was studied in the present work. The laminar flow of Newtonian and non- Newtonian fluids was analysed in the referred passages, the rheological behaviour of the latter fluids being described by the power-law model. Initially, the cooling of yogurt in a short chevron type plate heat exchanger was studied and it was found that thermal entry effects played an important role on the obtained Nusselt numbers. The computational domain of this problem was a three-dimensional unit that represented half of the channel of the studied plate heat exchanger. Despite the simplification, a good agreement was found between the numerical results of the Nusselt number and experimental results from the literature. The initial works with yogurt allowed observing further periodicities of the flow along the width of the channels. The observed periodicity allowed developing a periodic cell, also known as unitary cell. Then, the flow in the developed unitary cell was studied, under fully developed conditions, for various Newtonian and power-law fluids in various chevron type channels. In order to achieve thermal and hydraulic fully developed flow it was necessary to use channels containing seven consecutive unitary cells. The numerical results obtained with the Newtonian fluids, in channels with corrugation angle, β, between 29 and 85º and channel aspect ratio, γ, between 0.38 and 0.76, allowed to relate the coefficient K (present in the relation between the Fanning friction factor, f, and Reynolds number, Re, f =KRe−1 ) with β and γ . For each corrugation angle, channels with area enlargement factors, φ, varying between 1 and 9 were studied. Subsequently, fully developed laminar flows of power-law fluids with flow index, n, between 0.25 and 1, were investigated. The channels were made from chevron plates with φ = 1.17 and 31º≤β ≤ 60º , values which are typical of commercial plates. The use of a generalised Reynolds number, Reg , allowed the development of single friction curve equations, Re 1 g f =K − , for both Newtonian and non-Newtonian fluids. The thermal performance of the plate heat exchangers was also investigated. The channels were made from chevron plates with φ = 1.17 and 31º≤ β ≤ 60º . Various Newtonian and power-law fluids were studied and it was found that the Nusselt number was almost independent of the flow index. Hence, for each β, single thermal correlations were proposed, valid for both Newtonian and power-law fluids. Additionally, it was observed that the Nusselt number achieved a maximum between 40 and 50º, for all the studied fluids. Finally, using the ratio between the Colburn factor and Fanning friction factor, the thermohydraulic performance of the referred channels was studied. For laminar flows and in the range of the studied corrugation angles, the thermo-hydraulic performance of the plate heat exchanger passages increased with the increase of β.