Design and mechanical behaviour of brazed plate heat exchangers

Abstract

In recent years, the developments in clean, renewable and efficient energy policies have been enabled to design new and innovative heat exchangers. The plate heat exchangers have crucial importance among these innovative products due to compact size and thermally efficient behaviour. There are many studies dealing with the thermo-fluidic behaviour of brazed plate heat exchangers. However, since the usage of these products often includes relatively high pressure and toxic fluids, the examination of structural stability of these products is cruical from the point of scientific perspective view. There are very few studies of plate heat exchangers regarding to mechanical aspects. Accordingly, in this thesis it is intended to investigate structural behaviour of brazed plate heat exchangers by numerical methods. For this purpose, the material properties of brazing interface of plate heat exchangers have been determined by experimental methods. The tensile and stress based fatigue experiments are carried out and the material models have been obtained. The validation of material model which is used in numerical analysis has been carried out by explicit method using maximum displacement as a boundary condition. The mechanical behaviour of chevron type brazed plate heat exchangers has been investigated by considering effect of chevron angle under different pressure conditions. The results have been obtained numerically in two stages; static structural analysis results and fatigue analysis. The numerical results show that the chevron angle has a significant effect on the formation of brazing points of plate heat exchangers. The dimensions of brazing points directly affects the overall structural behaviour of plate heat exchanger. It is observed that the single brazing point surface area and homogeneous distribution of brazing points on the plates are more critical than the total surface area. Finally, it is thought that the developed numerical methodology will lead to the structural design of brazed plate heat exchangers before the production of protoype molding and experimental testing. Eventually, it will be advantageous in terms of mold costs and time spent for experimental testing.

Son yıllarda, temiz, yenilenebilir ve verimli enerji politikalarındaki gelişmeler yeni ve inovatif ısı değiştirgeci tasarımlarına olanak sağlamaktadır. Plakalı ısı değiştirgeçleri kompakt boyut ve ısıl verimlerindeki potansiyelleri açısından bu inovatif ürünler arasında önemli bir yere sahiptir. Sert lehimli plakalı ısı değiştirgeçleri ile ilgili ısıl ve akışkan davranışını inceleyen birçok bilimsel çalışma olmasına rağmen bu ürünlerin kullanımı çoğunlukla yüksek basınç altında çalıştığından ve toksik akışkanlar ile etkileşimde olduğundan yapısal karalılık konusununda bilimsel açıdan irdelenmesi önem kazanmaktadır. Literatürde, plakalı ısı değiştirgecin yapısal davranışını inceleyen bilimsel çalışma sayısı oldukça azdır. Bu bağlamda, tez kapsamında plakalı ısı değiştirgecinin yapısal davranışının nümerik methodlar yardımıyla incelenmesi hedeflenmektedir. Bu amaca yönelik olarak plakalı eşanjörlerdeki sert lehim noktalarının malzeme özellikleri deneysel olarak elde edilmiştir. Çekme testi ve gerilme genliğini esas alan yorulma testleri yapılmış olup elde edilen veriler ile malzeme modelleri kurulmuştur. Nümerik analizlerde kullanılan malzeme modelinin validasyonu maksimum yer değiştirme sınır şartını kullanarak eksplisit yöntem ile doğrulanmıştır. Plakalı ısı değiştirgeçlerinin mekanik tasarımı çavuş açısı esas alınarak yapılmış ve yapısal davranışı farklı basınç değerleri altında incelenmiştir. Nümerik analizlerde çavuş açısının sert lehim noktalarının oluşumu üzerinde oldukça etkili olduğu gözlemlenmiştir. Mekanik dayanım açısından tek bir sert lehim noktası yüzey alanı değerinin ve sert lehim noktalarının homojen dağılımının etkisinin toplam yüzey alanı değerinden daha kritik olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, tez kapsamında geliştirilen methodoloji ile prototip kalıp üretimi ve deneysel testler öncesinde sert lehimli plakalı ısı değiştirgeçlerinin tasarımına yön verileceği düşünülmektedir. Bu sayede kalıp maliyetleri ve testlere harcanan zaman açısından avantaj sağlanmış olacaktır.