Análise de escoamentos bifásicos líquido-gás em trocadores de calor do tipo placas a partir de técnica ótica PIV

Abstract

Resumo: Trocadores de calor a placas são dispositivos essenciais para o funcionamento de diversas indústrias. A troca de calor acontece frequentemente entre dois escoamentos de fluidos separados por paredes. É comum que, pelo menos um dos escoamentos, seja composto por mais de uma fase. Nesse contexto, ferramentas óticas como Particle Image Velocimetry (PIV) são recursos importantes para o estudo do comportamento do escoamento bifásico em trocadores de calor. Para possibilitar a aplicação de tais recursos de análise, é necessária a utilização de meios translúcidos de forma a visualizar o escoamento. Para esse fim, blocos de acrílico foram usinados de forma a replicar o volume interno de canais de trocadores de calor onde o escoamento principal ocorre na direção vertical. As seções de testes foram posicionadas em uma bancada de testes multifásica, onde imagens de escoamentos ar-água no interior das geometrias transparentes foram gravadas por uma câmera rápida. As seções de testes foram avaliadas tendo como referência padrões típicos de escoamento bifásico observados em tubos horizontais de seção circular. Seis configurações de escoamento bifásico foram avaliadas nas seções de testes verticais: três padrões típicos observados em dutos (estratificado, pistonado e borbulhado) em duas direções distintas (ascendente e descendente). As características dos padrões obtidos em tubos horizontais foram avaliadas a partir da técnica Electrical Capacitance Tomography (ECT). Imagens foram registradas para dois tipos de geometria de canal de trocadores: um canal típico de trocador casco e placas (Plate and Shell Heat Exchanger - PSHE) e um canal típico de trocador de placas gaxetadas (Plate Heat Exchanger - PHE). A partir das imagens das seis configurações de escoamentos bifásicos no canal do PSHE, foram identificados a ocorrência de oito padrões distintos (estratificado, bolsões de ar, borbulhado, zona de recirculação, segregado, pistonado, golfado e ponte líquido-anular com ar segregado) em três regiões do canal (bocal de entrada, bocal de saída e região central do canal). Em seguida, o campo de velocidades foi obtido por PIV para a fase inercial composta de bolhas. Além disso, fatores de atrito, e números de Reynolds e Nusselt foram estimados localmente para o padrão horizontal pistonado ascendente e descendente. É demonstrado que trocadores de calor com escoamentos bifásicos em ambos os ramais podem ter melhor desempenho térmico em configuração paralela ao invés da consagrada configuração contracorrente.

Abstract: Heat exchangers are essential equipment for the operation of several industries. Heat transfer takes place between two flows often separated by walls. Commonly, one flow stream consists of two or more phases. In this context, optical tools as Particle Image Velocimetry (PIV) are important resources for studying two-phase flow behavior in heat exchangers. To enable this analysis, it is necessary to apply translucent materials as to allow fluid flow observation. With this aim, acrylic blocks have been machined as to obtain typical channel flow geometries as observed in Plate Heat Exchangers ? PHE and Plate and Shell Heat Exchangers ? PSHE. At these heat exchanger channels, main fluid flow direction is vertical. Two test sections (transparent PHE and PSHE channels) were positioned in a multiphase flow setup. Air-water flows were recorded by a Photron fast camera. Analysis occurred with typical two-phase flow patterns as observed in horizontal pipes with circular cross-section as reference. Six flow configurations were applied: three typical patterns as observed in pipes (stratified, slug and bubbly flows) in two flow directions (upward and downward). Horizontal pipe flow characteristics were obtained via Electrical Capacitance Tomography (ECT). Two-phase pipe flow results were compared to the ones observed within the PSHE channel. Six flow patterns were obtained in the PSHE channel (recirculation zone, stratified, bubbly, churn, annular, slug, wispy annular and annular-liquid bridge flow/air-alone flow patterns) in three different regions (inlet port, outlet port and channel center). The inertial phase (bubbles) velocity field was obtained by PIV. In addition, two-phase friction factors, and Reynolds and Nusselt numbers were locally estimated for upward and downward flow directions. When both streams in a PSHE or PHE consist of gas-liquid flows, thermal performance of parallel configuration can significantly overcome countercurrent arrangement.