Análise técnico-económica da utilização de materiais poliméricos em permutadores de calor

Abstract

A crescente procura de sistemas de aquecimento de água solar e consequentemente de sistemas de armazenamento, nomeadamente baseados na utilização de permutadores de calor imersos, têm originado um aumento do valor das principais matérias-primas utilizadas (cobre e aço inox). Deste modo, a utilização de materiais poliméricos será tanto mais viável economicamente quanto maior o custo dos materiais metálicos referidos, para além de permitirem dar resposta às necessidades de produção de permutadores de calor, tão ou mais eficientes termicamente. Este trabalho reporta a análise de viabilidade da aplicação de materiais poliméricos em permutadores de calor imersos, no que diz respeito ao desempenho térmico e mecânico. É ainda apresentada uma análise económica da substituição dos materiais metálicos utilizados convencionalmente por materiais poliméricos. A análise termodinâmica envolveu o desenvolvimento de um procedimento de cálculo e a sua implementação numa aplicação informática dedicada (PCi), que permite a comparação do comportamento térmico de um permutador de calor imerso para diferentes condições e materiais. Foi ainda proposto um modelo de validação experimental tendo em vista a aferição dos valores fornecidos pela aplicação desenvolvida. A análise mecânica teve como objectivo estabelecer as condições para a determinação da resistência mecânica de tubos poliméricos, tendo sido proposto um modelo experimental para obtenção das pressões de rebentamento, que são posteriormente utilizadas na determinação da pressão de serviço máxima admissível, para valores definidos de temperatura e tempo. O procedimento de cálculo foi estabelecido por recurso à norma ISO/DIS 9080, tendo sido ainda implementada uma aplicação informática dedicada. A análise económica permitiu definir a relação entre o preço dos materiais metálicos e dos materiais poliméricos, que torna viável economicamente a aplicação dos materiais poliméricos em permutadores de calor. A aplicação informática desenvolvida considera pois a análise térmica e a análise económica, possibilitando, deste modo, uma análise técnicoeconómica da viabilidade de utilização de diferentes tipos de materiais em diversas condições.

ABSTRACT: The growing search for solar water heating systems and therefore for storage systems, namely based on the use of immersed heat exchangers, have been originating a value increase of the principal raw material used (copper and stainless steel). The use of polymeric materials in immersed heat exchangers finds it justification in the price increase of metallic materials typically used, and the thermal efficiency that will be enabled. The latter should obviously be the same or higher than those provided by the metallic materials. This work refers to the analysis of the viability of application of polymeric materials in immersed heat exchangers, in what concerns to its thermal and mechanical performance. It is also presented an economic analysis of the replacement of the metallic materials conventionally used by polymeric ones. The thermodynamic analysis involved in the development of an estimate proceeding and his implementation on a dedicated computing application (PCi), allows the comparison of the thermal behaviour of the immersed heat exchangers at different conditions for different type of materials. Furthermore, an experimental model is proposed for the validation of the results obtained by the developed application. The mechanical analysis carried out aimed at the establishment of the conditions for the determination of the mechanical resistance of polymeric tubes. It is also proposed an experimental model to obtain extreme pressures that will be used ahead in the determination of the maximum service pressure admissible, for the defined values of temperature and time. The procedure to estimate the above referred extreme pressures for different service conditions was established following the ISO/DIS 9080 standard. The same has been carried out through the implementation of a dedicated computing application. The economical analysis allowed defining the relationship between metallic and polymeric materials price that makes the replacement economically feasible. The developed computing application considers the thermal and economic analysis, making possible this way, to establish the viability of using different material types under several service conditions.